Samenvatting literatuur - Van cel tot molecuul (Thema 5, 6, 7) - Geneeskunde UL - 2017/2018

Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2017-2018.

Thema 5: Metabolisme en enzymologie

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Enzymen en energierijke verbindingen

Celbiologie: Wat houden energie, katalyse en biosynthese in? - Chapter 3

Wat houdt katalyse in?

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

De substraatconcentratie die nodig is om een enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter: Km. De Km is de substraatconcentratie waarbij het enzym op de helft van zijn maximale snelheid werkt (0,5 Vmax).

Wanneer een enzym de activeringsenergie voor de reactie Y naar X verlaagt, wordt tegelijkertijd ook de activeringsenergie voor de reactie X naar Y verlaagd met precies dezelfde hoeveelheid. Het bestuderen van de kinetica (bewegingsleer) van een enzym (hoe snel het opereert, hoe het zich gedraagt tegenover het substraat, hoe de activiteit wordt gecontroleerd), zorgt ervoor dat we kunnen voorspellen hoe een individuele katalysator zich zal gedragen en hoe het interactie zal hebben in een netwerk met andere enzymen.

Allereerst moet de Vmax bepaald worden. Dit gebeurt door een meting waarbij wordt gekeken hoe snel het substraat geconsumeerd wordt dus hoe snel het product gevormd wordt. De enzymwerking wordt niet alleen beïnvloed door het substraat, maar kan ook beheerst worden door bijvoorbeeld producten, substraat look-alikes, inhibitors, toxines en andere kleine moleculen die de reactie kunnen verbeteren dan wel verstoren. Het effect van een inhibitor op de enzymactiviteit kan ook gemeten worden. Competitieve inhibitors blokkeren de enzymactiviteit doordat ze aan het enzym gaan binden, op dezelfde bindingsplaats waar het substraat zich bindt. Als er echter genoeg substraat wordt toegevoegd, zullen de enzymen toch met het substraat binden en de Vmax bereiken. Het kan ook dat een inhibitor op een andere plek bindt aan het enzym, waardoor het substraat-enzym langzamer gevormd wordt dan normaal. Dit kan niet omzeild worden door meer substraat toe te voegen.

De energie die afkomstig is van de oxidatie van voedselmoleculen moet tijdelijk opgeslagen worden voordat het gebruikt wordt. Dit gebeurt in de meeste gevallen in geactiveerde ‘carriermoleculen’. Zij brengen de energie naar de plaatsen waar het gebruikt wordt voor biosynthese. De drie belangrijkste carriermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH.

De vorming van een geactiveerde carrier is gekoppeld aan een energetisch gunstige reactie. Hiervoor zijn enzymen nodig. (Een illustratief voorbeeld van zo’n koppeling is weergegeven in figuur 3-29, blz. 106.) De meest gebruikte carrier is ATP. ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie, waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan een ADP molecuul. Als het nodig is, splitst ATP weer in ADP en een fosfaat (Pi ), wat een energetisch gunstige hydrolyse is. Het ADP kan weer worden gebruikt voor een fosfolyseringsreactie en zo ontstaat er een celcyclus. Verder is de reactie van ATP hydrolyse gekoppeld aan vele ongunstige andere reacties waardoor andere moleculen gesynthetiseerd worden. Fosfolyseringsreacties zijn voorbeelden van condensatiereacties en komen bij veel belangrijke celprocessen voor. Ze activeren substraten, wisselen chemische energie uit en zijn essentieel bij intracellulaire signaal doorgave. ATP wordt vooral gebruikt om stoffen de cel in en uit te transporteren en het levert ook energie voor de samentrekking van spieren.

De twee belangrijkste elektronen carriers zijn NADHen NADPH. Ze kunnen allebei een ‘energiepakketje’ opnemen bestaande uit twee hoogenergetische elektronen en een proton (H+ ) en dan worden ze NAD+ en NADP+. Het verschil tussen NADH en NADPH is de fosfaatgroep, waardoor ze iets anders van vorm zijn en kunnen binden aan verschillende soorten enzymen. Binnen de cel is de ratio van NAD+ naar NADH hoog, terwijl de ratio van NADP+ naar NADPH laag gehouden wordt. Hierdoor kan NAD+ als oxiderend, en NADPH als reducerend element fungeren. Dit is vereist voor de speciale rollen die ze spelen in respectievelijk katabolisme en anabolisme.

Er zijn ook andere geactiveerde carriers, zoals FADH2. Dit molecuul draagt ook hydrogene en hoogenergetische elektronen. Co-enzym A, in geactiveerde toestand acetyl-CoA wordt bijvoorbeeld gebruikt om twee carbon-units toe te voegen in de biosynthese van de hydrocarbonstaarten van vetzuren. Zie tabel 3-2, blz. 112, voor een aantal geactiveerde carriermoleculen die gebruikt worden in metabolisme.

Het gedeelte waarin energie getransporteerd wordt, is maar een klein onderdeel van een carriermolecuul. De rest bestaat uit een groot organisch deel dat er voor zorgt dat het molecuul herkend kan worden door specifieke enzymen. Vaak bevat dit gedeelte een nucleotide, dit is ook zo bij acetyl-CoA. Dit kan een aanwijzing zijn dat veel carriermoleculen afkomstig zijn van RNA.

Hoe verlagen enzymen barrières die chemische reacties blokkeren?

Elk van de vele honderden chemische reacties die in een cel voorkomen, wordt specifiek door een enzym gekatalyseerd. Grote aantallen verschillende enzymen werken in een bepaalde volgorde om ketens van reacties te vormen, genaamd metabole routes, die elk een bepaalde reeks functies in de cel uitvoeren. Katabolische reacties breken voedselmoleculen af ​​via oxiderende routes en geven energie af. Anabole reacties genereren de vele complexe moleculen die de cel nodig heeft, en ze vereisen een energie-input. In dierlijke cellen worden zowel de bouwstenen als de energie, die nodig is voor de anabole reacties, verkregen door katabolisme.

Enzymen katalyseren reacties door zich aan bepaalde substraatmoleculen te binden, op een manier die de vereiste activeringsenergie verlaagt voor het maken en breken van specifieke covalente bindingen. De snelheid waarmee een enzym een ​​reactie katalyseert, hangt af van hoe snel het zijn substraat vindt en hoe snel het product wordt gevormd en vervolgens gediffundeerd. Deze snelheden variëren sterk van het ene enzym tot het andere. Ze kunnen worden gemeten na het mengen van gezuiverde enzymen en substraten onder een reeks gedefinieerde omstandigheden. Over het algemeen geldt dat hoe sterker de binding van het enzym en substraat is, des te langzamer is de dissociatie. Als een reactie leidt tot het vrijkomen van vrije energie, kan deze energie worden aangewend om werk te doen of chemische reacties te veroorzaken. Chemische reacties verlopen alleen in de 'bergafwaarts' richting die leidt tot verlies van vrije energie. Van dit soort reacties wordt vaak gezegd dat het energetisch gunstig is. Maar zelfs energetisch gunstige reacties vereisen activeringsenergie om ze op gang te helpen!

Zoals hierboven vermeld, wordt de druk op de energiebarrière grotendeels bevorderd door enzymen. Een stof die de energiebarrière kan verlagen, en dus de activeringsenergie van een reactie, wordt een katalysator genoemd. Net als alle andere katalysatoren blijven enzymmoleculen zelf onveranderd na deelname aan een reactie en kunnen ze daarom steeds opnieuw functioneren. Als de concentratie van het substraat progressief toeneemt vanaf een zeer lage waarde, neemt de concentratie van het enzym-substraatcomplex, en dus de snelheid waarmee het product wordt gevormd toe (aanvankelijk op lineaire wijze). Dat in directe verhouding tot de substraatconcentratie. Maar bij een zeer hoge concentratie van substraat bereikt het een maximale waarde, aangeduid met Vmax. Op dit punt zijn de actieve plaatsen van alle enzymmoleculen in het monster volledig bezet met substraat en hangt de snelheid van productvorming alleen af ​​van hoe snel het substraatmolecuul kan worden verwerkt; ook wel het omzetnummer genoemd.

De concentratie van het substraat die nodig is om het enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter, de constante van de Michaelis (Km). De Km van een enzym is de concentratie van het substraat waarbij het enzym werkt met de helft van zijn maximale snelheid (0,5 Vmax). Een lage waarde van Km gaf aan dat een substraat zeer stevig aan het enzym bindt, en een grote waarde overeenkomt met zwakke binding. Maar enzymen kunnen het evenwichtspunt voor reacties niet veranderen!

Hoe bepaalt een vrije energiewijziging voor een chemische reactie?

Hoewel enzymen reacties versnellen, kunnen ze niet afdwingen dat energetisch ongunstige reacties plaatsvinden. Maar dit kan worden gedaan door middel van enzymen die direct energetisch gunstige reacties met elkaar koppelen. Een koppeling tussen reacties, die energie afgeven en warmte produceren, tot energetisch ongunstige reacties, die deze energie gebruiken. Maar (volgens de tweede wet van de thermodynamica) kan een chemische reactie alleen plaatsvinden als het resulteert in een netto toename van de stoornis in het universum.

Het criterium voor een toename van wanorde kan het gemakkelijkst uitgedrukt worden in termen van vrije energie (G) van een systeem. De vrije energiewijziging voor een reactie, AG, meet de stoornis en deze moet minder dan nul zijn om een ​​reactie te laten plaatsvinden. Energetisch gunstige reacties zijn reacties die de wanorde veroorzaken door de vrije energie van een systeem te verlagen waartoe het behoort; met andere woorden, ze hebben een negatieve ΔG. Omgekeerd creëren energetisch ongunstige reacties, met een positieve ΔG, orde in het universum. Omdat energetisch ongunstige reacties energie vereisen, kunnen ze alleen plaatsvinden als ze gekoppeld zijn aan een tweede reactie met een negatieve ΔG zo groot dat de netto ΔG van het hele proces negatief is.

Door te concluderen, dat het creëren van een reactiepad een energetisch gunstige reactie koppelt aan een energetisch ongunstige reactie, veroorzaken enzymen anderszins onmogelijke chemische transformaties. De vrije energiewijziging voor een chemische reactie, AG, is afhankelijk van de concentratie van de reagerende moleculen, en deze kan worden berekend uit deze concentraties als de evenwichtsconstante (K) van de reactie (van de standaard vrije energiewijziging ΔGº voor de reactanten) is bekend. Omdat de evenwichtsconstante van een reactie direct gerelateerd is aan de standaard vrije energieverandering (ΔGº), wordt deze vaak gebruikt als een maat voor de bindingssterkte tussen moleculen. Deze waarde is zeer nuttig omdat deze de specificiteit van de interacties tussen moleculen aangeeft. Evenwichtsconstanten besturen alle associaties (en dissociaties) die optreden tussen macromoleculen en kleine moleculen in de cel. De evenwichtsconstante wordt groter naarmate de bindingsenergie tussen de twee moleculen toeneemt, en hoe groter de kans dat deze moleculen worden gepaard.

Wat houden geactiveerde dragermoleculen en biosynthese in?

In levende systemen wordt energie-opname bereikt door middel van een paarreacties, waarbij een energetisch gunstige reactie wordt gebruikt om te rijden en een energetisch ongunstige reactie die een geactiveerd dragermolecuul produceert. Koppelingsmechanismen vereisen enzymen en ze zijn fundamenteel voor alle energietransacties in de cel. De belangrijkste geactiveerde dragermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH. ATP draagt ​​hoogenergetische fosfaatgroepen, terwijl NADH en NADPH hoogenergetische elektronen dragen.

1) ATP

De belangrijkste van de geactiveerde dragermoleculen in cellen is ATP (adenosine 5'-trifosfaat). ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan ADP (adenosine 5'-difosfaat). Indien vereist, geeft ATP dit energiepakket op in een energetisch gunstige hydrolyse tot ADP en anorganisch fosfaat. De geregenereerde ADP is dan beschikbaar om te worden gebruikt voor een andere ronde van de fosforyleringsreactie die ATP vormt, waardoor een ATP-cyclus in de cel wordt gecreëerd. Daarom kan een energetisch ongunstige biosynthetische reactie worden aangedreven door ATP-hydrolyse. De synthese van een polynucleotide houdt bijvoorbeeld van RNA en DNA.

2) NADH een NADPH

NAD + en NADP + pakken elk een 'energiepakket' op in de vorm van twee hoogenergetische elektronen plus een proton (H +), respectievelijk NADH en NADPH. Net als ATP is NADPH een geactiveerde drager die deelneemt aan veel belangrijke biosynthetische reacties die anders energetisch ongunstig zouden zijn. NADH heeft daarentegen een speciale rol als tussenpersoon in het katabolische systeem van reacties die ATP genereren door de oxidatie van voedselmoleculen. Voedingsmoleculen verschaffen de koolstofskeletten voor de vorming van grotere moleculen. De covalente bindingen van deze grotere moleculen worden typisch geproduceerd in reacties die gekoppeld zijn aan energetisch gunstige bindingsveranderingen in geactiveerde dragermoleculen zoals ATP en NADPH.

Suiker- en vetmetabolisme

Celbiologie: Hoe verkrijgen cellen energie van eten? - Chapter 13

Wat houdt katabolisme in?

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

ATP kan op twee manieren worden gemaakt:

1. De reactie: ADP + Pi wordt ATP in cytosol en mitochondriën (die tot stand komt door de oxidatie van moleculen uit voedsel)

2. Of energie van geactiveerde moleculen wordt in het mitochondrium omgezet

Voordat de cellen de binnengekregen voedingsstoffen kunnen opnemen, moeten eiwitten, lipiden en polysachariden worden afgebroken tot kleinere moleculen door middel van enzymen. Dit wordt katabolisme genoemd. Het is belangrijk hierbij dat het gaat om voedsel dat van buitenaf wordt ingenomen, dus niet de macromoleculen uit onze eigen cellen. De eerste stap van vertering gebeurt buiten de cel in de darmen of in lysosomen, die verteringsenzymen scheiden van het cytosol. Enzymen uit de darmen zullen de grote moleculen afbreken naar kleinere: eiwitten tot aminozuren, polysacchariden tot suikers en vetten tot vetzuren en glycerol. Hierna gaan ze het cytosol van een cel binnen waar oxidatie zal gaan beginnen. Zie figuur 13.2 in Alberts op pagina 432.

Wat houdt glycolyse in?

Glycolyse is de reactie waarbij een glucosemolecuul met 6 koolstofatomen wordt omgezet in twee kleinere pyruvaat moleculen met 3 koolstofatomen. Hierbij worden twee energierijke ATP-moleculen verbruikt en omgezet in ADP om de reactie op gang te laten komen. ADP neemt later een vrijgekomen fosfaat (Pi) weer op. Tijdens de glycolyse vindt ook oxidatie plaats. Elektronen worden van sommige van de koolstofatomen verwijderd van glucose door NAD+, waarbij NADH wordt geproduceerd. In de gehele glycolyse worden er per glucosemolecuul 4 ATP en 2 NADH moleculen geproduceerd. Tijdens dit proces komen er dus netto per glucosemolecuul 2 ATP en 2 NADH moleculen vrij. De glycolyse is in tien stappen te beschrijven, waarbij elk een ander enzym gebruikt wordt. Zie panel 13-1 op pagina 433 en 434.

Na de glycolyse wordt het pyruvaat getransporteerd van het cytosol naar de matrix van het mitochondrium. Hier wordt het pyruvaat snel gedecarboxyleerd door een complex van drie enzymen: het pyruvaat-dehydrogenase-complex. Elk pyruvaat wordt met hulp van CoA-SH en NAD+ omgezet tot CO2, NADH en acetyl-CoA. Veel acetyl-CoA wordt ook gevormd bij de oxidatie van vetten.

Vetzuren

Vetzuren zijn afkomst van vet en zijn ook een vorm van brandstof voor suiker. Vetzuren worden net als de pyruvaatmoleculen in de mitochondria omgezet in acetyl-CoA. Hierbij wordt acetyl-CoA gevormd, molecuul NADH en FADH2. Suikers en vetten zijn de grootste bron van energie voor een organisme die niet aan fotosynthese doet. Wanneer acetyl-CoA wordt gevormd wordt maar weer een klein deel van de energie die mogelijk is omgezet in ATP of NADH, de rest zit nog allemaal in acetyl-CoA.

In eukaryote cellen zijn de mitochondria het centrum voor de energieleverende processen, onafhankelijk van of het in het begin suikers, vetten of aminozuren zijn. In aerobe bacteriën, die geen mitochondria bevatten gebeuren de energieleverende processen in het cytosol.

Hoe werkt de citroenzuurcyclus?

Als derde stap vindt de citroenzuurcyclus plaats onder de voorwaarde van water (zuurstof). De citroenzuurcyclus wordt ook wel de Krebscylcus of de tricarboxylzuurcyclus genoemd. Deze vindt ook plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA wordt hierbij geoxideerd tot CO2 en NADH. De acetyl-groep wordt echter niet gelijk geoxideerd. Eerst vormt acetyl-CoA met oxaloacetaat en H2O, een citraat met zes koolstofatomen. Oxaloacetaat wordt tijdens de laatste stap van de citroenzuurcyclus gevormd, die weer de eerste stap op gang brengt. Tenslotte worden de NAD+-moleculen door een elektronentransportketen gebruikt om het proces voort te drijven. O2 nodig voor oxidatie,wordt in de citroenzuurcyclus zelf geproduceerd uit H2O. De helft van de energie die bij de oxidatie van glucose of vetzuren vrijkomt wordt gebruikt in de reactie Pi + ADP wordt ATP. De andere helft van de energie gaat verloren in warmte. Netto brengt één ronde in de citroenzuurcyclus drie NADH, een FADH2 en een GTP (ATP) energierijke moleculen op. De citroenzuurcyclus is goed weergeven in panel 13.2 op pagina 446 en 447.

Vervolgens begint de oxidatieve fosforylering. NADH en FADH2 geven hun elektronen af aan een elektron-transport keten in de binnenmembraan van het mitochondrium. De elektronen worden gebonden aan O2-moleculen, om water te produceren. Tijdens dit proces wordt er zo veel mogelijk ADP omgezet tot ATP. Oxidatie fosforylering vindt bij aerobe bacteriën plaats in het plasma membraan en bij eukaryote cellen in het mitochondrium.

Bij de gehele oxidatie van één glucosemolecuul tot CO2 en H2O worden er uiteindelijk zo’n 30 – 32 ATP-moleculen geproduceerd. 2 ATP-moleculen uit de glycolyse, 2 ATP uit de citroenzuurcyclus en 26 – 28 ATP uit de oxidatieve fosforylering. Deze processen die hierboven zijn beschreven, zijn er maar een aantal voorbeelden van de vele processen die in een cel plaats kunnen vinden. Een cel moet zelf controleren of metabolieten via een anabole of katabolische route worden ´vervoerd´.

Voor elke van de gevormde stoffen in de gehele cyclus van de cel zijn vele wegen! Controle mechanismen zorgen voor de enzymen die de metabolische processen reguleren en controleren. Het metabolische balans is verbazend stabiel.

Katabolische reacties zijn bouwblokken voor vele andere moleculen die worden gevormd en produceren energie. De stoffen die worden gevormd bij de glycolyse en citroenzuurcyclus kunnen ook voor anabole processen worden gebruikt. Hierin worden ze omgezet in nucleotiden, aminozuren en lipiden.

Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig. Als we een tijd geen voedsel binnenkrijgen wordt er gebruikt gemaakt van de gluconeogenese. Dit is het omgekeerde proces van glycolyse, waarbij er glucose wordt gevormd uit kleine moleculen als lactaat, pyruvaat of aminozuren. De gluconeogenese vindt plaats in de lever. Als de glycolyse en gluconeogenese onverstoord tegelijk zouden kunnen optreden, dan zou veel energie voor niets verloren gaan. De oplossing hierop is dat bij de gluconeogenese andere enzymen worden gebruikt, die zorgen voor bypassreacties. Zo’n omzeilingsreactie vindt bijvoorbeeld plaats bij stap 3 in de glycolyse. Een bypassreactie vindt plaats als het fosfofructokinase enzym is uitgeschakeld. Wanneer er een klein energie reserve is wordt fosfofructokinase geactiveerd om de glycolyse weer op gang te wekken.

De balans tussen glycolyse en gluconeogenese moet aldoor worden gereguleerd. Wanneer er te weinig energie is moet glucose worden afgebroken en wanneer er genoeg is moet het worden opgeslagen. Gluconeogenese is een kostbaar proces, dat energie gebruikt d.m.v. hydrolyse van ATP en GTP. Dit kan dus niet te veel plaatsvinden. Er worden echter door het lichaam voedselreserves aangemaakt. Glucose wordt opgeborgen, dit wordt gedaan in de vorm van glycogeen, in de lever en spieren. Wanneer het nodig is wordt deze omgezet in glucose om de glycolyse in gang te zetten. Het balans tussen de glycogeen synthese en afbouw wordt gereguleerd door intracellulaire signalen van hormonen als insuline, adrenaline en glucagon.

Thema 6: Cellulaire communicatie en signaaloverdracht

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Hoe werkt de communicatie op celniveau? - Chapter 16

Individuele cellen in multicellulaire organismen moeten hun omgeving kunnen aanvoelen en daarmee kunnen communiceren. Als een signaal gedurende de weg die het aflegt, wordt omgezet (bijvoorbeeld geluid in radiogolven), wordt dit proces signaaltransductie genoemd. Bij communicatie tussen cellen produceert de ene cel meestal een signaalmolecuul dat wordt gedetecteerd door de andere cel, de targetcel. De meeste cellen kunnen zowel signalen verzenden als ontvangen. Het ontvangen gebeurt via speciale receptoreiwitten.

In multicellulaire organismen is de meest gebruikte manier om te communiceren in het lichaam het uitzenden van een signaal. De signaalmolculen kunnen eiwitten, peptides, aminozuren, nucleotiden, steroiden, vetzuren of zelfs gassen zijn. Dit gebeurt door secretie in de bloedsomloop. De signaalmoleculen heten dan hormonen en de producerende cellen worden endocriene cellen genoemd. Daarnaast is er ook paracriene signalering. Een signaalmolecuul diffundeert dan lokaal door een extracellulaire vloeistof en blijft dan dus in de buurt van de producerende cel. Sommige cellen reageren op de moleculen die ze zelf uitscheiden, dit wordt autocrien genoemd. Een derde vorm van celcommunicatie gaat via neuronen. Zo kunnen signalen over lange afstanden worden doorgegeven. Dit gaat via elektrische signalen, specifiek tussen bepaalde cellen, axonen. De overgang van de ene zenuwcel naar de andere verloopt via een neurotransmitter, een chemisch signaal. Tot slot is er een vorm waarbij cellen direct fysiek contact maken via signaalmoleculen in het plasmamembraan van de ene cel tegen de receptoreiwitten in de andere cel. Dat gebeurt bijvoorbeeld als naburige cellen elkaar stimuleren om te specialiseren.

Een cel kan alleen reageren op een signaal als het daarvoor de juiste receptor heeft. Een receptor is normaal gesproken actief voor maar één signaaltype. Een signaalmolecuul kan het gedrag van een cel op vele manieren veranderen. Vanaf de receptor wordt een signaal de cel ingeleid via intracellulaire signaalmoleculen. Het hangt van deze moleculen af wat een signaal in een cel op gang zet. Een cel kan snel of langzaam reageren op een bepaald signaal. Dat hangt ervan af wat er moet gebeuren wanneer het signaal ontvangen wordt.

Bij extracellulaire signaalmoleculen kan er onderscheid gemaakt worden tussen twee klassen. De eerste en grootste klasse bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de targetcel heen te gaan. Zij moeten hun boodschap dus via receptoren doorgeven. De tweede klasse bestaat uit moleculen die wel klein of hydrofoob genoeg zijn, deze gaan door het plasmamembraan heen en activeren daar intracellulaire enzymen of binden aan intracellulaire receptoreiwitten. Een belangrijk type signaalmoleculen dat afhankelijk is van intracellulaire receptoren is de steroïde hormonen.

Er zijn ook bepaalde opgeloste gassen die direct het plasmamembraan kunnen passeren. Zo kunnen ze heel snel binnen in de cel de activiteit van specifieke eiwitten reguleren.

Hoe werken signaalsystemen?

Onder signaaltransductie wordt het proces verstaan waarbij een signaal overgebracht wordt. Hierbij kan de aard van het signaal veranderen. Een signaalcel produceert signaalmoleculen die door de doelcel gedetecteerd worden. Doelcellen bezitten receptoren die de signaalmoleculen herkennen en er op een signaalspecifieke manier op reageren.

Signaaltransductie begint wanneer een receptor een extracellulair signaal ontvangt en deze omzet naar een signaal binnen de cel.

Er zijn vier manieren waarop communicatie tussen cellen gerealiseerd wordt.

• Endocrien: hierbij wordt de communicatie geregeld door signaalmoleculen die door het hele lichaam gaan. Deze signaalmoleculen worden in de bloedbaan uitgescheiden en heten hormonen. De cellen die hormonen produceren worden heel toepasselijk endocriene cellen genoemd.

• Paracrien: hierbij verspreiden signaalmoleculen zich in de extracellulaire omgeving, waarbij ze zich niet ver verwijderen van de signaalcel. Deze stoffen heten local mediators. Soms reageren signaalcellen op hun eigen local mediators. Dit verschijnsel heet autocriene signalering.

• Neuronaal: hierbij brengen zenuwcellen (neuronen) signalen over. Deze neuronen kunnen zeer lang zijn. De overdracht van het signaal vindt echter plaats over een kleine afstand. Het uiteinde van een uitloper van een neuron produceert een extracellulair signaalmolecuul, een zogenaamde neurotransmitter. Dit signaalmolecuul bindt zich aan een receptor van de doelcel en activeert deze daarmee.

• Contactafhankelijk: hierbij is de afstand van de overdracht het kleinst. Er worden geen moleculen via secretie uitgescheiden, maar de cellen maken direct contact met elkaar. De signaalmoleculen bevinden zich in het plasmamembraan van de signaalcel en de receptoren bevinden zich in het plasmamembraan van de doelcel.

Er komen vele verschillende signaalmoleculen voor en elke cel moet hier selectief op reageren. Negeren van bepaalde signaalstoffen en reageren op andere leidt tot de gespecialiseerde functies van cellen. Een cel is alleen gevoelig voor signalen waarvoor hij een receptor heeft, en kan zo dus op bepaalde signalen wel, en op bepaalde signalen niet reageren.

Een signaal dat de cel binnenkomt via signaaltransductie, wordt via de receptor overgebracht op intracellulaire signaalmoleculen. Deze intracellulaire signaalmoleculen zetten effectoren aan tot activiteit. De effectoren beïnvloeden het gedrag van de cel. De intracellulaire communicatie en effectoren zijn bij verschillend gespecialiseerde cellen anders. Hierdoor kunnen verschillende type cellen op een andere manier reageren op hetzelfde extracellulaire signaal.

De reactie van een cel op een extracellulair signaal kan snel of langzaam zijn. De reactie is snel als er in de cel eiwitten geactiveerd moeten worden die zich reeds in een niet-actieve vorm in de cel bevinden. Deze moeten slechts geactiveerd worden. De reactie is langzaam als er eiwitten geactiveerd moeten worden die zich niet in de cel bevinden. Deze moeten eerst gesynthetiseerd worden. Hier gaat genexpressie aan vooraf, wat extra tijd kost.

Er zijn twee soorten extracellulaire signaalmoleculen.

1. De ene soort bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de doelcel te kunnen diffunderen. Deze moleculen geven hun signaal af aan de cel via receptoren in het plasmamembraan.

2. De andere soort bestaat uit moleculen die klein of hydrofiel genoeg zijn om door het plasmamembraan te kunnen diffunderen. Binnen de cel activeren deze moleculen enzymen of binden zich aan intracellulaire receptoren die de genexpressie reguleren.

Een belangrijke groep signaalmoleculen die door het plasmamembraan kunnen diffunderen zijn de steroïden, die tot de hormonen behoren. Een andere belangrijke groep van deze signaalmoleculen zijn de thyroïden (ook hormonen). Steroïden en thyroïden diffunderen door het celmembraan en binden aan intracellulaire receptoren. Deze bevinden zich zowel in het cytosol als in de kern. Zowel de receptoren in het cytosol als de receptoren in de kern worden nucleaire receptoren genoemd, omdat ze de transcriptie kunnen reguleren. De receptoren veranderen van vorm nadat ze een binding zijn aangegaan met het signaalmolecuul. Hierdoor wordt het eiwit geactiveerd en zorgt het ervoor dat bepaalde genen wel of niet tot uiting komen. Elk hormoon bindt aan een ander type receptor en reguleert daarom specifieke genen.

Sommige opgeloste gassen kunnen door het plasmamembraan heen diffunderen en zo direct invloed uitoefenen op de activiteit van intracellulaire eiwitten. Een voorbeeld hiervan is het gas stikstofmonoxide (NO). Dit wordt door de endotheelcellen in de bloedvaten geproduceerd en komt vrij na prikkeling van de endotheelcellen door zenuwuiteinden. In de doelcellen gaat NO een binding aan met het enzym guanylyl cyclase en activeert dit. Dit enzym stimuleert de omzetting van GTP in cyclisch GMP. Cyclisch GMP is een intracellulair signaalmolecuul dat een schakel vormt in de keten van reacties binnen de cel.

Het grootste gedeelte van de signaalmoleculen kan echter niet door het membraan heen diffunderen. Deze moleculen binden aan membraanreceptoren van de targetcel. De receptoren geven na binding het signaal in de cel af door middel van intracellulaire signalen. De uiteindelijke reactie van een cel op een extracellulair signaal heet de respons.

Intracellulaire signaalmoleculen kunnen een of meer van de volgende vier functies hebben:

• Het doorgeven van een signaal binnen de cel.

• Het versterken van een signaal, zodat een klein aantal extracellulaire signalen kan leiden tot een groot intracellulair respons. Dit heet amplificatie.

• Het ontvangen van signalen van meerdere signaalmoleculen en deze integreren.

• Het signaal doorsturen naar verschillende signaalmoleculen of effectoren, waardoor het signaal meerdere effecten heeft.

Veel van de intracellulaire signaalmoleculen hebben de functie van een moleculaire schakelaar. Het ontvangen van een signaalmolecuul laat het wisselen van een inactieve naar actieve vorm. Als deze eiwitten door een signaal geactiveerd zijn, kunnen ze andere eiwitten activeren. Vervolgens blijven ze actief totdat een andere proces de eiwitten weer inactief maakt. De meeste eiwitten worden in- of uitgeschakeld door middel van fosforylering. Aan het eiwit kan een fosfaatgroep gebonden worden door het eiwit kinase. Door het eiwit fosfatase wordt deze fosfaatgroep weer losgekoppeld.

GTP-gebonden eiwitten

Een andere belangrijke groep moleculaire schakelaars zijn de GTP-gebonden eiwitten. Deze wisselen tussen een geactiveerde en niet-geactiveerde staat onder invloed van een binding met ofwel GTP, ofwel GDP. Een actieve staat wordt veroorzaakt door een binding met GTP, een inactieve staat door een binding met GDP. Wanneer deze eiwitten geactiveerd zijn kunnen ze zelf de binding met GTP verbreken door zichzelf te hydrolyseren. Deze eiwitten bezitten dus GTPase-activiteit.

Er zijn twee soorten GTP-bindende eiwitten die meedoen aan intracellulaire signaalpathways. De eerste soort omvat de zogenaamde G-eiwitten, waar verderop meer over te lezen is. De tweede soort omvat de monomerische GTPases. De verwisseling van GDP voor GTP door deze eiwitten wordt geholpen door de zogenaamde guanine nucleotide exchange factors (GEFs), en de GTPase-activating proteins (GAPs) zorgen ervoor dat de hydrolysering van GTP kan plaatsvinden.

Receptoren binden extracellulaire signalen en geven het signaal door in de cel door middel van intracellulaire signaalmoleculen. Er zijn drie soorten receptoren die zich op het celmembraan bevinden:

1. De ionkanaalgekoppelde receptoren;

2. De G-eiwitgekoppelde receptoren;

3. De enzymgekoppelde receptoren.

Wat doen ionkanaalgekoppelde receptoren?

De ionkanaalgekoppelde receptoren laten een stroom van ionen de cel in of uitgaan via het plasmamembraan, waardoor de membraanpotentiaal verandert en er een elektrische stroom ontstaat. Ionkanaalgekoppelde eiwitten zijn verantwoordelijk voor de snelle overdracht van signalen bij synapsen in het zenuwstelsel. Door middel van signaaltransductie veranderen ze een chemisch signaal (via een neurotransmitter) dat de buitenkant van een doelcel bereikt heeft, in een elektrisch signaal. Dit elektrische signaal houdt een verandering in de spanning over het plasmamembraan van de doelcel in. Wanneer de neurotransmitter een binding aangaat met de receptor, verandert de receptor van vorm, waardoor een ionkanaal in het plasmamembraan zich vaker in de geopende, of juist gesloten conformatie bevindt. Dankzij de elektrische lading gaan ionen de cel in of uit waardoor de membraanpotentiaal verandert. Deze verandering kan een impuls veroorzaken of kan het voor andere neurotransmitters moeilijker of makkelijker maken om een impuls te veroorzaken.

Wat doen extracellulaire messengers?

De extracellulaire messengers zijn in te delen in 2 hoofdgroepen:

• de grotere en hydrofiele die niet door het celmembraan heen kunnen diffunderen, dit is de grootste groep;

• de kleine hydrofobe (oftewel lipofiele) die wel door het celmembraan heen kunnen diffunderen.

Van de laatste groep is nitric oxide (NO) de belangrijkste. Dit is met name een paracriene agens. Doordat het namelijk een halfwaarde tijd heeft van 5-10 sec moet het snel reageren. Endotheelcellen in de bloedvatwand laten NO vrij als respons op stimulering door zenuwuiteinden. NO diffundeert naar naburige spiercellen (bijvoorbeeld spiercellen in de bloedvatwand), waar het zorgt voor de relaxatie van de spier. De werking van NO in nitrocglycerine wordt al meer dan 100 jaar gebruikt als medicijn om de hartvaten te laten verwijden bij een hartinfarct. Zenuwcellen gebruiken NO ook om naburige cellen te waarschuwen, bijvoorbeeld bij de erectie van de penis. In een cel bindt NO aan het enzym guanylyl cyclase, wat de formatie van cyclisch GMP van de nucleotide GTP stimuleert. Cyclisch GMP is ook weer een signaal voor een ander molecuul als volgende stap in de signaaltransductie. Viagra grijpt in op de moleculen die de afbraak van cyclisch GMP regelen, vermindert hiermee deze afbraak en verlengt zo de werking van NO. Cyclisch GMP lijkt in zijn structuur en functie veel op cyclisch AMP, wat een grote rol speelt als intracellulair messenger molecule.

Naast NO kunnen ook de steroïde hormonen (cortisol, estradiol, testosteron, thyroxine en andere thyreoide hormonen) door het membraan diffunderen om vervolgens aan de nucleus of intracellulaire receptoren te binden. Hierna gaat het eiwit een vormverandering aan die de activatie of remming van de transcriptie van bepaalde genen regelt. De hormonen binden aan slechts één receptor, en deze receptoren slechts aan bepaalde genen. Steroïde hormonen vervullen een belangrijke functie die te zien is wanneer testosteron niet goed functioneert. Mensen die als man zijn geboren, met een XY chromosoom, maar geen testosteron receptor hebben, zullen zich uiteindelijk als vrouw ontwikkelen doordat testosteron zijn werk niet kan doen.

Tegenover deze hormonen en NO staan de moleculen die met een receptor op het plasmamembraan in reactie gaan. Deze receptoren zijn onder te verdelen in:

• ion-channel coupled receptors

• G-protein-linked receptorsWat doen

• enzyme-linked receptors

De respons van een ion-channel coupled receptor bestaat uit een stroom van ionen de cel in, die zo de elektrische lading van een cel veranderen. Die van een G-protein-linked receptor bestaat uit de vorming van een membraan-gebonden eiwit dat ergens anders op het plasmamembraan weer meerdere reacties teweeg brengt. Enzyme-linked receptors reageren of zelf als enzym, of synthetiseren een enzym waarbij talloze responsen kunnen ontstaan.

Wat doen G-eiwitgekoppelde receptoren?

G-eiwitgekoppelde receptoren binden een groot aantal verschillende signaalmoleculen en hebben vele verschillende functies. Ondank deze verscheidenheid heeft iedere GPCR ongeveer eenzelfde structuur. De receptor bestaat uit een polypeptideketen die zeven keer door de dubbele lipidelaag van het plasmamembraan heen gaat. Wanneer een extracellulair signaalmolecuul aan de receptor bindt, verandert deze van vorm, waardoor deze een G-eiwit dat aan de receptor gekoppeld zit, activeert. Een G-eiwit is gelegen aan de onderkant van het membraan en bestaat uit drie eenheden: een α-, ß-, en een γ-eenheid. In de inactieve staat is aan de α-eenheid een GDP-molecuul gebonden. Wanneer de receptor een G-eiwit activeert, verandert de affiniteit van de α-eenheid voor GDP. GDP wordt losgekoppeld en deze wordt door een GTP-molecuul vervangen. Vervolgens splitst het G-eiwit zich vaak en ontstaat er een α-subeenheid en een ßγ-complex. Deze zijn dan beide geactiveerd en kunnen interactie aangaan met doeleiwitten.

De tijd waarin de eenheden geactiveerd zijn hangt af van de α-subeenheid. Deze kan zichzelf uitschakelen volgens intrinsic GTP-hydrolizing, waardoor de α-eenheid zijn GTP hydrolyseert tot GDP en zo inactief wordt, en de eenheden weer gekoppeld worden. Vervolgens kan het G-eiwit weer geactiveerd worden door een volgend extracellulair signaal. De eiwitten waar het G-eiwit invloed op heeft, zijn ofwel enzymen, ofwel ionkanalen.

De twee enzymen waar G-eiwitten meestal invloed op uitoefenen, zijn adenylyl cyclase en fosfolipase C. Deze enzymen zijn beide verantwoordelijk voor de productie van kleine intracellulaire signaalmoleculen. Adenylyl cyclase is verantwoordelijk voor de productie van cyclisch AMP (cAMP), en fosfolipase C is verantwoordelijk voor de productie van inositol trifosfaat en diacylglycerol. Deze kleine intracellulaire signaalmoleculen worden ook wel second messengers genoemd. First messengers zijn de extracellulaire signaalmoleculen die door receptoren in het plasmamembraan worden herkend.

Adenyl cyclase

De α-eenheid van een geactiveerd G-eiwit activeert in veel gevallen het enzym adenylyl cyclase. Omdat het G-eiwit adenylyl cyclase stimuleert, wordt dit eiwit G_s genoemd. Geactiveerd adenyl cyclase stimuleert de productie van cyclisch AMP. Hierbij wordt ATP dat zich in de cel bevindt omgezet in cyclisch AMP. Cyclisch AMP activeert op zijn beurt weer een kinase (PKA, cyclic AMP dependent protein kinase). Geactiveerd PKA katalyseert de fosforylering van bepaalde intracellulaire eiwitten, waardoor deze eiwitten geactiveerd worden. In de cel is tevens een enzym aanwezig dat cyclisch AMP omzet in normaal AMP. Dit enzym heet cyclisch AMP fosfodiesterase. cAMP wordt enorm snel door dit enzym afgebroken, waardoor de concentratie cAMP afhankelijk van extracellulaire signalen snel kan stijgen of dalen.

Fosfolipase C

Sommige G-eiwitten activeren het membraangebonden eiwit fosfolipase C. Geactiveerd fosfolipase C splitst een lipidemolecuul dat onderdeel is van het plasmamembraan af. Dit molecuul is een inositol fosfolipide, een fosfolipide met een inositolsuikergroep aan de kop gebonden. Door de acties van fosfolipase C kan zo inositol 1,4,5-trifosfaat (IP₃) en diacylglycerol (DAG) ontstaan.

IP₃ verspreidt zich in het cytosol en DAG blijft in het plasmamembraan. IP₃ verplaatst zich naar het ER en gaat daar een binding aan met Ca²⁺-kanalen. Deze worden geopend en Ca²⁺ verlaat via deze kanalen het ER en gaat het cytosol in. Hierdoor stijgt de concentratie vrije calciumionen in het cytosol sterk. Deze stijging is een signaal voor andere eiwitten.

DAG activeert een enzym dat zich van het cytosol naar het plasmamembraan verplaatst, het enzym protein kinase C (PKC). Dit eiwit heeft een binding met Ca²⁺ nodig om actief te worden. In actieve staat kan dit eiwit een aantal intracellulaire eiwitten fosforyleren.

Ca²⁺

De Ca²⁺-concentratie in de cel is bijzonder laag in vergelijking met de Ca²⁺-concentratie in de extracellulaire vloeistof en de vloeistof in het ER. Dit verschil wordt in stand gehouden door pompen die Ca²⁺ actief het cytosol uitpompen. Hierdoor ontstaat er een elektrochemische gradiënt voor Ca²⁺ over het plasmamembraan en ER-membraan. Wanneer een signaal de Ca²⁺-kanalen opent, stroomt Ca²⁺ het cytosol in. Dit veroorzaakt responsen bij bepaalde Ca²⁺-bindende eiwitten in het cytosol.

Een van deze eiwitten is calmoduline. Wanneer Ca²⁺ zich bindt aan calmoduline verandert calmoduline van vorm, waardoor het in staat is om met doeleiwitten in de cel een interactie aan te gaan. Hierdoor wordt de activiteit van deze eiwitten beïnvloed. Een belangrijke groep doeleiwitten zijn de Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinases (CaM-kinases). Deze kinases worden geactiveerd door een binding met calmoduline waaraan Ca²⁺ gebonden is en oefenen invloed uit op andere processen in de cel door bepaalde eiwitten te fosforyleren.

Reactie op fel licht

Een van de snelste reacties in het lichaam die met behulp van GPCRs plaatsvindt, is de reactie van het oog op fel licht. De details van deze reactie zijn bestudeerd bij de fotoreceptorcellen in het oog die verantwoordelijk zijn voor het zien van zwart-witte beelden bij schemerige belichting. Het licht wordt in deze cellen waargenomen door rhodopsine, een G-eiwitgekoppelde lichtreceptor.

Geactiveerd rhodopsine activeert het G-eiwit transducine. De geactiveerde α-eenheid van transducine activeert een aantal intracellulaire reacties die tot gevolg hebben dat een ionkanaal in het plasmamembraan sluit. Hierdoor verandert de spanning over het celmembraan en worden er neurotransmitters afgegeven. Dit heeft tot gevolg dat er impulsen verzonden worden naar de hersenen.

Bij deze intracellulaire reacties vindt amplificatie plaats. Deze vindt alleen plaats bij schemerlicht. Wanneer het oog blootgesteld wordt aan fel licht, past het signaalsysteem zich aan en wordt de amplificatie sterk verminderd. Dit heet adaptatie. Hierbij is sprake van negatieve feedback: een intense reactie in de fotoreceptor (door fel licht) veroorzaakt een intracellulair signaal (een verandering in Ca²⁺-concentratie) waardoor de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de amplificatie van het signaal geremd worden.

Wat doen enzymgekoppelde receptoren?

Enzymgekoppelde receptoren zijn transmembraaneiwitten. In plaats van contact te maken met een G-eiwit gedragen deze receptoren zich als enzym of vormen een complex met een enzym. Ze spelen een grote rol in de regulatie van groeisignalen, differentiatie, ontwikkeling en overleving van de cel. De grootste groep enzymgekoppelde receptoren bestaat uit de RTK’s (receptor tyrosine kinase). Dit zijn receptoren die een cytoplasmatisch deel bevatten dat functioneert als een tyrosine kinase, en dus tyrosines fosforyleert

In het geval van RTK’s bestaat de receptor vaak uit twee delen. Het signaalmolecuul heeft vaak de vorm van een dimeer. Wanneer de twee delen van de receptor zich koppelen aan het signaalmolecuul en zo een dimeer vormen, worden de kinasedomeinen geactiveerd, waardoor de twee delen elkaar fosforyleren. Meestal fosforyleren zij tyrosines. De gefosforyleerde tyrosines dienen als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Ook deze signaaleiwitten worden gefosforyleerd en geactiveerd of functioneren als adapter. Adapters koppelen de receptor aan andere signaalmoleculen. De RTK’s activeren met name fosfolipase C en Ras.

Ras

Ras is een GTP-bindend eiwit dat met een lipidestaart aan het plasmamembraan vastzit. Ras behoort tot de monomerische GTPases, in tegenstelling tot de eerder genoemde G-eiwitten. Ras lijkt op de α-eenheid van een G-eiwit en functioneert als een moleculaire schakelaar. Het is actief bij binding met GTP en inactief bij binding met GDP. Wanneer signaalmoleculen contact maken met Ras bindt het met GTP waardoor het geactiveerd wordt. Ras schakelt zichzelf uit door GTP te hydrolyseren naar GDP.

Ras promoot in actieve staat een fosforyleringcascade. Dit houdt in dat serine/ threonine protein kinases elkaar steeds activeren. Dit systeem bevat onder andere de zogenaamde MAP-kinale signaalmodule.Hierbij wordt het uiteindelijke MAP-kinase gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase. Het MAP-kinase kinase wordt op zijn beurt weer gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase kinase. MAP-kinase zelf fosforyleert verschillende effectoren, waaronder enkele transcriptie regulators. Hierdoor kan celdeling gestimuleerd worden, maar ook de overleving van de cel of de celdifferentiatie kan geregeld worden.

PI 3-kinase

Een van de belangrijkste RTK-processen is die waarbij het enzym phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase) betrokken is. PI 3-kinase fosforyleert inositol phospholipiden in het plasmamembraan. Gefosforyleerde inositol phospholipiden functioneren als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Deze signaaleiwitten kunnen elkaar dan activeren. Een voorbeeld van een intracellulair signaaleiwit dat hier kan binden is Akt. Akt zorgt voor de groei en overleving van vele celtypen door signaaleiwitten te fosforyleren en zo inactief te maken. Akt fosforyleert bijvoorbeeld het eiwit Bad en maakt dit inactief. In actieve vorm activeert Bad apoptose. Akt voorkomt dus apoptose van cellen. Ook zorgt het PI-3-kinase-Akt signaalpathway voor celgroei door het serine/threoninekinase Tor indirect te activeren. Tor stimuleert celgroei door de eiwitsynthese te stimuleren en door de eiwitafbraak af te remmen.

Niet alle enzym-gekoppelde receptoren werken via een complex van signaalcascades. Sommige gebruiken een meer directe weg om genexpressie te reguleren. Een van deze receptoren is het receptoreiwit Notch. Notch reguleert onder andere de ontwikkeling van zenuwcellen in het fruitvliegje. De receptor zelf functioneert hier als transcriptieregulator. Notch wordt geactiveerd door het signaalmolecuul Delta dat aan een naburige cel gebonden is. De staart van Notch scheurt door binding van Delta af en transporteert naar de kern, waar het genen activeert.

Wat houdt apoptose in?

Geprogrammeerde celdood

De cellen van een meercellig organisme zijn onderdeel van een zeer georganiseerde structuur. Het aantal cellen in dit organisme wordt strak gereguleerd, niet alleen door de delingssnelheid in de gaten te houden, maar ook door celdood te reguleren. Wanneer cellen niet langer nodig zijn, plegen ze zelfmoord door een intracellulair dood programma te starten. Dit proces heet dan ook geprogrammeerde celdood, hoewel het vaker apoptose wordt genoemd. De hoeveelheid geprogrammeerde celdood die plaatsvindt in volwassen weefsel, en in weefsel in ontwikkeling is verbluffend.

Tijdens de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel bijvoorbeeld, worden meer dan de helft van de zenuwcellen die worden geproduceerd, doodgemaakt vlak nadat ze gevormd zijn.

In een gezond volwassen lichaam worden miljarden cellen in het beenmerg elk uur vermoord. Het lijkt zonde om zoveel cellen dood te laten gaan, met name omdat de meerderheid perfect gezond is als ze hun eigen dood regelen. Welke doelen dient deze massadood dan? In sommige gevallen is het duidelijk. Muizenpoten, en onze eigen handen en voeten, worden gevormd door apoptose tijdens de embryonale ontwikkeling. Ze beginnen als een soort peddelstructuur en de vingers ontstaan alleen als de tussengelegen cellen doodgaan. In andere gevallen sterven cellen wanneer de structuur die ze vormen niet langer nodig is. Wanneer een kikkervisje in een kikker verandert, sterven de cellen in de staart die niet nodig is voor de kikker. In andere gevallen helpt celdood het aantal cellen te reguleren. In al deze gevallen wordt celdood mogelijk gemaakt door apoptose. In volwassen weefsel is de balans tussen celdood en celgroei exact. Als dit niet zo zou zijn, zou het weefsel groeien of krimpen. Wanneer een gedeelte van de lever van een volwassen rat verwijderd wordt bijvoorbeeld, neemt de productie van levercellen toe om het verschil weer goed te maken.

Tegengesteld, wanneer de rat wordt behandeld met de drug phenobarbital, wat leverceldeling stimuleert, groeit het weefsel. Wanneer de phenobarbital behandeling wordt gestopt, neemt de apoptose in de lever toe totdat het orgaan zijn oorspronkelijke grootte weer heeft. Dit gebeurt binnen een week. Op deze manier wordt de lever op een constante grootte gehouden door de regulatie van dood en geboorte.

Cellen die sterven als gevolg van een acuut trauma zwellen en barsten en vloeien hun inhoud over hun omgeving uit: dit proces wordt cel necrose genoemd. Deze uitbarsting triggert potentiële schade brengende ontstekingsreacties. In tegenstelling hiermee sterft een cel die in apoptose gaat netjes, zonder zijn buren te beschadigen. Een cel in het begin van apoptose krimpt. Het cytoskelet valt uiteen, de nucleaire envelop verdwijnt en het DNA breekt op in kleine deeltjes. Het belangrijkste is echter dat het celoppervlak verandert op zo’n manier dat het ogenblikkelijk fagocyten aantrekt, met name macrofagen. Deze cellen fagocyteren de cel in apoptose voor hij de kans krijgt zijn inhoud te laten barsten. Deze snelle verwijdering van doodgaande cellen voorkomt de schade toebrengende gevolgen van cel necrose, en staat ook toe de organische componenten van de apoptotische cel te recyclen door de cel die hem verteert.

Proteases en capsases

Het systeem dat verantwoordelijk is voor dit soort gecontroleerde celdood lijkt hetzelfde te zijn in alle dierlijke cellen. Apoptose wordt uitgevoerd door een familie proteases, enzymen die andere eiwitten stukknippen, die caspases heetten. De caspases worden gemaakt als inactieve voorlopers die procaspases heten, die zelf geactiveerd worden door proteolytic cleavage als respons op signalen die apoptose inleiden. De geactiveerde caspases delen, en activeren hierbij, andere leden van de familie, wat resulteert in een steeds groter wordende cascade van proteases. Ze delen ook andere eiwitten in de cel.

Eén van de caspases deelt de lamina eiwitten, die de nucleaire lamina vormen die onder de nucleaire envelop liggen. Dit zorgt de irreversibele afbraak van de nucleaire lamina. Op deze manier ontmantelt de cel zichzelf snel en schoon, en het lichaam wordt snel meegenomen en opgegeten door een andere cel. De activatie van de procaspase cascade is irreversibel wanneer hij eenmaal is begonnen, hierdoor moet dit wel goed worden gecontroleerd.

Bax en Bak

Elke cel heeft zijn eigen dood in zich liggen, inactief procaspase ligt te wachten in de cel tot het een activatie signaal krijgt. De eiwitten die deze activatie regelen zijn de Bcl-2-family eiwitten, waarbij de 2 belangrijkste Bax en Bak zijn. Deze eiwitten activeren procaspasen indirect, door de synthese van cytochrome c te regelen. Cytochrome c bindt aan bindingseiwitten, die dan een specifiek procaspase activeren. Deze geactiveerde procaspases initiëren de caspase cascades die leiden tot apoptose. Bax en bak eiwitten zijn zelf geactiveerd door andere death-promoting leden van de Bcl-2-family. Andere leden van de Bcl-2-family, inclusief Bcl-2 zelf, handelen om procaspase activiteit te onderdrukken en zo apoptose te onderdrukken. Eén manier om dat te doen is door het vermogen van Bax en Bak om vrij cytcohrome c te laten te onderdrukken. Sommige van de Bcl-2-family promoten apoptose door de activiteit van Bcl-2 en andere doodsonderdrukkende eiwitten te onderdrukken. Het intracellulaire dood programma is ook gereguleerd door signalen van andere cellen, die het death-program kunnen activeren of onderdrukken.

Wat is de structuur van collageen?

Weefsels

Traditioneel gezien zijn er vier grote weefseltypen in dierlijke cellen. Connective, epithelial, nervous en muscular weefsel, maar het grootste verschil zit tussen connective tissue en de rest. In connective tissue is de extracellulaire matrix vol en dit draagt de mechanische bagage, terwijl in ander weefsel de extracellulaire matrix leeg is. Hier liggen cellen dicht tegen elkaar aan en dragen de mechanische bagage zelf. Dierlijk connective tissue is ontzettend divers. Het kan hard en flexibel zijn, zoals de dermis op de huid, hard en bepakt, zoals bot, veerkrachtig en schok absorberend zoals kraakbeen of zacht en doorzichtig, zoals het glasvocht dat de binnenkant van het oog vult. In al deze voorbeelden is de extracellulaire matrix helemaal vol en de cellen die de matrix produceren zijn erin verspreid als rozijnen in een pudding. In al deze weefsels wordt de tensile strength, de kracht om druk en trekkrachten te weerstaan, niet door een polysaccharide als in een plant, maar door een vezelachtige eiwitstructuur, collageen geheten, geleverd. De verschillende type connective tissue danken hun specifieke karakter aan het type collageen wat ze bevatten, aan de hoeveelheid hiervan en, het belangrijkste, aan de andere moleculen die hiermee zijn verweven. Collageen wordt gevonden in alle meercellige organismen en er zijn veel verschillende soorten. Collageen is het hoofdbestanddeel van botten, pezen en huid.

Collageen beslaat 25% van de totale hoeveelheid eiwitten. Het karakteristieke uiterlijk van collageen is zijn lange, stijve driedubbele helix waarin drie collageen polypeptide kettingen zijn gewonden om een andere in een touwachtige superhelix. Deze moleculen zijn verder onder te verdelen in collageen vezels, wat dunne lange kabels zijn die samen kunnen pakken in grotere collageen vezels. Andere collageen moleculen versieren de oppervlakte van collageen vezels en verbinden deze vezels met elkaar en met andere componenten in de extracellulaire matrix. De connective-tissue cellen die de matrix vormen en bewonen bestaan uit verschillende cellen. In huid, pezen en veel andere connective tissues heten ze fibroblasten, in bot heten ze osteoblasten. Ze maken en de collageen en de andere organische componenten van de matrix aan. Bijna al deze moleculen worden intracellulair gesynthetiseerd en dan uitgescheiden op de standaard manier van exocytose. Buiten de cel gaan ze samen tot grote aggregaten.

Wanneer deze samenhang te vroeg gebeurt, worden het enorme aggregaten die de cel die de materialen aanmaakt, zou verstikken. In het geval van collageen ontwijken de cellen dit risico door collageen te secreteren in een voorloper vorm, procollagen geheten. Dit heeft peptide aan beide kanten die voorkomen dat collageen met andere vezels samen kan gaan. Een extracellulair enzym wat collagenase heet, knipt deze terminale domeinen af om samengaan toe te staan nadat de moleculen in de extracellulaire ruimte zijn gekropen. Sommige mensen hebben een genetisch defect in de collagenase, zodat hun collageen vezels niet goed samen kunnen pakken. Hierdoor hebben hun huid en andere vezels een verminderde tensile strength en is heel erg rekbaar. Cellen in weefsels moeten in staat zijn het matrix af te breken, net als het te maken. Dit is essentieel voor weefselgroei, reparatie en vernieuwing. Het is ook belangrijk waar cellen die migreren heen moeten, zoals macrofagen, dat ze door het collageen netwerk heen kunnen. Matrix proteases knippen extracellulaire eiwitten die een rol spelen in veel ziekte processen, van artritis tot de afbraak van kraakbeen in aangetaste gewrichten, tot kanker, waar ze de kanker helpen normale weefsels binnen te dringen.

Fibroblasten

Om hun functie te kunnen uitoefenen, moeten collageenvezels goed gestructureerd zijn. In de huid bijvoorbeeld zijn ze verweven in een patroon met verschillende lagen, met verschillende oriëntatie om tensile strength vanuit meerdere kanten te weerstaan. In pezen, welke spieren aan bot verbinden, zijn ze gelegen in parallelle bundels langs de grootste as waarlangs druk komt.

De connective-tissue cellen sturen deze oriëntatie gedeeltelijk door het collageen in een bepaalde richting de cel uit te laten, en gedeeltelijk door het collageen in een andere vorm te organiseren. Tijdens de ontwikkeling van het weefsel werken fibroblasten aan het collageen dat ze hebben uitgescheiden, erover kruipend en eraan trekkend, om het in lagen te krijgen en het tot kabels te laten vormen. Deze mechanische functie van fibroblasten is gedemonstreerd in een celstructuur. Wanneer fibroblasten samengaan met willekeurig georiënteerd collageen, trekken de fibroblasten aan het weefsel, draaien in collageen vanuit hun omgeving en maken het compacter. Wanneer 2 kleine stukjes embryonaal weefsel wat fibroblasten bevat geplaatst zijn in de uiterste hoek van een collageen substantie, wordt het collageen in een band van lijnen georganiseerd, wat de twee uiterste embryonale gedeeltes verbindt. De fibroblasten migreren uit het embryonale weefsel. Hiertoe beïnvloeden de fibroblasten de belijning van collageen vezels, en de collageen vezels bepalen de verdeling van de fibroblasten. Op deze manier beïnvloeden fibroblasten eenzelfde rol in de organisatie van de extracellulaire matrix van een groot gebied, in het creëren van pezen, en de sterke, bepakte lagen connective tissue wat de meeste organen omwindt.

Wanneer cellen zich op de matrix trekken en erover kruipen, moeten ze in staat zijn om zich hiermee te bevestigen. Cellen bevestigen zich niet goed aan kaal collageen. Een ander extracellulair matrix eiwit, fibronectin, is een verbindingsstuk. Een gedeelte van het molecuul bindt aan collageen en het andere gedeelte aan de cel die erover heen wil. De cel bindt aan specifieke delen in het fibronectine, door een receptor eiwit wat integrin heeft en aan het plasmamembraan vastzit. Wanneer het extracellulaire gedeelte aan fibronectine bindt, bindt het intracellulaire gedeelte aan actine filamenten. Dus, in plaats van uit het membraan te scheuren wanneer er druk is tussen de cel en de matrix, verdeelt het integrin molecuul de stress van matrix naar het cytoskelet. Spiercellen koppelen het contractiele apparaat in een soortelijke manier aan de extracellulaire matrix bij de scheiding tussen spier en pees, en stelt ze zo in staat om grote kracht te leveren, terwijl hij omlijst is door een dunne lipide dubbellaag. Integrine speelt ook een belangrijke rol in cel signalering, verbinding met de extracellulaire matrix activeert intracellulaire signalerings cascades door kinase eiwitten die samengaan met het intracellulaire einde van het integrin molecuul. Op deze manier reguleert het mechanisme dat zorgt voor verbindingen buiten de cel, ook of de cel groeit, deelt, overleeft, differentieert of deelt.

Extracellulaire matrix

Terwijl collageen zorgt dat tensile strength weerstaan kan worden, zorgt een compleet andere groep macromoleculen in de extracellulaire matrix voor de tegengestelde functie. Hieronder valt het weerstaan van samendrukking en het dienen als ruimte opvullers. Dit zijn de proteoglycans, extracelullaire eiwitten gekoppeld aan een speciale klasse van ingewikkelde negatief polaire polysacharides, de glycosaminoglycans (GAGs). Proteoglycans zijn extreem divers van formaat, vorm en chemische lading. Veel GAG’s zijn verbonden aan één eiwit, wat op zijn beurt is gebonden aan één kant aan een andere GAG, om zo een enorm macromolecuul te creëren met een moleculair gewicht van miljoenen. In compact connective weefsel, zoals weefsel en botten, is de proportie van GAGs klein en de matrix bestaat bijna geheel uit collageen. Aan het andere uiterste, het glasvocht in het binnenste van het oog bestaat bijna geheel uit één GAG type samen met water, met een kleine hoeveelheid collageen. In het algemeen zijn GAG’s zeer hydrofiel en neigen ernaar moeilijke conformaties aan te gaan die een groot volume in verhouding tot hun massa aannemen. Ze vormen gels zelfs in kleine concentraties, hun hoeveelheid negatieve krachten trekt een wolk van stoffen aan, zoals Na+ dat osmotisch actief is en zeer grote hoeveelheden water aantrekt om in de matrix gezogen te worden. Dit zorgt voor een zwellende kracht die gebalanceerd wordt door de druk die collageen uitoefent op weefsels die tussen de proteoglycans gewoven zitten. Wanneer de matrix rijk is aan collageen en grote hoeveelheden GAGs gevangen zitten in het netwerk, zijn zowel de zwellende druk en de tegenovergestelde druk enorm. Zo’n matrix is sterk, veerkrachtig en weerbaar tegen samendrukking.

De matrix van kraakbeen wat het kniegewricht omlijnt bijvoorbeeld, heeft dit karakter. Het kan honderden kilogrammen per cm² weerstaan. Proteoglycans voeren veel geavanceerde functies uit naast het voorzien van gehydrateerde ruimte om cellen. Ze kunnen gels van verschillende grootte maken en de dichtheid die zich als een filter gedraagt om de passering van moleculen door een extracelullair medium te regelen. Ze kunnen groeifactoren binden en genoeg eiwitten die dienen als signaal voor cellen. Ze kunnen cel migratie blokkeren, aanmoedigen of leiden door een matrix heen. Op al deze manieren beïnvloedt de matrix component het gedrag van cellen, vaak dezelfde cellen die de matrix maken, een reciproke interactie die belangrijke effecten heeft op differentiatie. Er blijft nog veel over om te leren hoe cellen het tapijt weven van de matrix moleculen en hoe de chemische berichten die ze achterlaten in hun fabriek georganiseerd zijn en handelen.

Welke celtypen zijn er?

Er zijn meer dan 200 verschillende celtypes in het lichaam van een wervelkolom. Het grootste gedeelte van deze zijn georganiseerd in epitheel, ze zijn samengevoegd, zij aan zij, om multicellulaire sheets te vormen. In sommige gevallen is deze sheet meerdere cellagen dik, of stratified., zoals in de epidermis van de huid. In andere gevallen is deze laag slechts één cellaag dik, of simpel, zoals in de darm. De cellen kunnen lang zijn en een kolom bevatten, of een kubus zijn, of plat. Ze kunnen allemaal op elkaar lijken, of een mix van types zijn. Ze kunnen simpelweg handelen als beschermlaag, of kunnen complexe biochemische functies hebben. Ze kunnen gespecialiseerde producten zoals hormonen of melk of tranen maken. Ze kunnen ook voedingsstoffen absorberen zoals in de darmen. Ze kunnen signalen verwerken, zoals de fotoreceptoren in het oog, of de trilhaarcellen in het oor. Via deze en veel andere variaties, kan één standaard stamcel uiteindelijk uitgroeien tot zeer verschillende cellen met bijzondere functies.

De epitheel verdeling is zo gewoon, dat het vaak als normaal wordt beschouwd. Toch is het een verzameling van speciale functies en zijn deze gewoon tot een grote diversiteit van verschillende celtypen. Epitheel bedekt de externe oppervlakte van het lichaam en begrenst alle externe ruimtes, en ze moeten een vroege functie in de evolutie van multicellulaire organismen zijn geweest. Hun belang is duidelijk. Cellen samengevoegd in een epitheliale sheet creëren een grens die dezelfde significantie heeft als het multicellulaire organisme dat een plasmamembraan heeft voor één cel. Het houdt moleculen binnen en andere buiten. Het neemt voedingsstoffen op en exporteert afval. Het bevat receptoren voor signalen voor de omgeving en het beschermt de binnenkant van het organisme van het binnendringen van micro-organismes en het verlies van vloeistof.

Een laag epitheel heeft 2 gezichten: de apical surface is vrij en staat bloot aan lucht of een waterige vloeistof, terwijl de basal surface op ander weefsel rust, vaak connective tissue, waaraan het is verbonden. Ondersteunend aan de basale laag van het epitheel ligt een dunne harde laag extracellulaire matrix, die de basal lamina heet. Deze bestaat uit een speciaal collageen type (IV) en andere moleculen. Ze bevatten een eiwit wat laminine wordt genoemd en dit zorgt voor kanten die geschikt zijn voor adhesie van integrine in het plasmamembraan van epitheelcellen. Ze dienen als een verbinding die hetzelfde is als die van fibronectin in connective tissue. De apicale en basale kanten van een epitheel zijn chemisch verschillend, want ze laten een gepolariseerde interne structuur van de individuele epitheel cellen zien. Elke heeft een boven en een onderkant, welke andere eigenschappen heeft. Deze gepolariseerde structuur is cruciaal voor de epitheel functie.

Absorptive cells en goblet cells

Er zijn twee typen cellen, absorptive cells (opname voedingsstoffen) en globlet cells (slijmproductie) die beide gepolariseerd zijn. De absorptive cells importeren voedsel moleculen door hun basale oppervlakte in het onderliggende weefsel. Om dit te doen hebben ze verschillende membraan transport eiwitten nodig in hun apicale en basale membranen.

De goblet cells (slijmbekercellen) moeten ook gepolariseerd zijn, maar op een andere manier. Het Golgi apparaat, vesikels en het cytoskelet zijn allemaal asymmetrisch georganiseerd om dit te vervullen. Hoewel er veel vragen overblijven hoe deze organisatie wordt verkregen, is het duidelijk dat het afhangt van de scheidingen die epitheel cellen vormen met anderen en waarmee de basale lamina, welke op hun beurt de intracellulaire locatie van eiwitten controleren, de gepolariseerde structuur van het cytoplasma regelen.

Thema 7: Het cytoskelet en de extracellulaire matrix

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Cytoskelet

Celbiologie: Hoe is het cytoskelet opgebouwd? - Chapter 17

Wat is het doel van spiercontractie?

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Een lange spiervezel is opgebouwd uit grote cellen, opgebouwd uit kleinere cellen. Het cytoplasma bestaat uit myofibrillen, de contractiele elementen van een spier. Een myofibril bestaat weer uit kleinere units, de sarcomeren. Eén sarcomeer bestaat uit dikke myosinefilamenten en dunne actinefilamenten. De actinefilamenten zijn bevestigd aan de Z-disc en zij overlappen de myosinefilamenten. Een contractie ontstaat wanneer de filamenten langs elkaar schuiven door dat een myosine kopje gaat lopen langs een actinefilament, waarbij elke keer een molecuul ATP wordt gehydrolyseerd. Door deze beweging worden bij een spiercontractie de sarcomeren korter, zonder dat de filamenten zelf van lengte veranderen. Elk myosinefilament heeft 300 myosine kopjes, waardoor een myosine kopje wel tot 5 keer per seconde aan actine kan binden. De filamenten kunnen hierdoor zeer snel langs elkaar schuiven waardoor een spier in minder dan een tiende van een seconde volledig kan contraheren. 

Wat zijn intermediaire filamenten?

Deze filamenten hebben een grote elasticiteit en zijn er om mechanische stress op een cel te weerstaan. Deze filamenten zijn het sterkst en blijven het langst bestaan van alle filamenten in het cytoskelet. Intermediaire filamenten vormen een groot netwerk in het cytoplasma om de celkern heen. De filamenten zitten vaak vast aan desmosomen op het celmembraan. De filamenten zijn ook te vinden in de celkern, waar ze zorgen voor versterking van de envelop.

Intermediaire filamenten zien er uit als touwen: lange, om elkaar heen gewonden, lijnen welke zorgen voor elasticiteit. De filamenten zijn aanwezig in verschillende cellen waar stress kan optreden, zoals zenuwcellen (axonen), spiercellen en epitheelcellen. Ze zorgen ervoor dat cellen en hun membranen niet kapot gaan als reactie op mechanische stress. De filamenten kunnen worden onderverdeeld in 4 groepen:

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)

• Vimentin en vimentin-related filamenten (in bindweefsel, spiercellen en gliacellen)

• Neurofilamenten (in zenuwcellen)

• Nucleaire lamines

De eerste drie typen komen allemaal voor in het cytoplasma, de nucleaire lamines komen voor in de celkern waar ze zorgen voor stevigheid van de kernmembraan. Alle filamenten worden gevormd door polymerisatie van de bijbehorende eiwit subunits. Keratine filamenten zijn heel divers en komen in verschillende vormen voor in verschillende epitheelcellen. De filamenten strekken zich helemaal uit over de cel en zijn aan beide kant gebonden aan desmosomen. Dit zorgt ervoor dat mechanische stress over de cel wordt verdeeld en goed opgevangen kan worden. De functie van keratine filamenten wordt duidelijk bij de ziekte epidermolysis bullosa simplex De meeste intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd door binding van andere eiwitten, zoals plectine. Daarnaast bindt plectine de intermediaire filamenten ook aan de microtubules, actine filamenten en adhesiemoleculen in de desmosomen. Muizen die het gen voor plectine missen, overlijden binnen enkele dagen vanwege de slechte reactie van cellen op mechanische stress.

De intermediaire filamenten die aanwezig zijn in de celkern zijn de lamines. Deze lamines gaan weer uit elkaar bij elke celdeling, waarbij ook de nucleaire envelop wordt afgebroken. Het afbreken en opbreken van de lamines wordt gereguleerd door fosforylatie en defosforylatie van de lamines door proteïne kinases. Fosforylatie zorgt voor het uit elkaar vallen van de tetrameren en defosforylatie voor het opnieuw opbouwen van de lamines. Fouten in de nucleaire lamines worden geassocieerd met de aandoening progeria.

Intermediaire filamenten hebben als belangrijkste functie de versteviging van de cel en het doorstaan van mechanische stress bij het strekken van de cel. Ze vormen een netwerk van rondom de nucleus tot het plasmamembraan en ze zijn de sterkste en stevigste filamenten van het hele cytoskelet. Ze zitten in bijna alle dierlijke cellen en zitten ook in de nucleus, waar ze de nuclear lamina vormen. Een intermediate filament bestaat uit een N-terminal head en een C-terminal tail met daartussen een α-helix vorm, die met 2 filamenten een coiled-coil dimeer aangaat. Twee van deze dimeren vormen een tetrameer en meerdere tetrameren zorgen uiteindelijk voor de stevige touwen (fig. 17-4). Al deze touwen zijn met elkaar verbonden via noncovalente verbindingen.

De α-helix bindingen van individuele filamenten zijn precies even lang en met dezelfde nucleotide volgorde, zodat ze dezelfde diameter en interne structuur hebben. De kop en staart daarentegen zijn per filament wel anders en gaan andere bindingen aan in het cytoplasma. Intermediate filamenten zijn aanwezig in cellen die onder grote mechanische stress staan, zoals lange zenuwcellen en spiercellen. Intermediate filamenten zijn in vier groepen in te delen.

De keratine filamenten zijn in epitheel cellen te vinden, de vimentin en en vinemtin-related filaments in connective-tissue cells, spiercellen en ondersteunende cellen van het neuronale systeem, de neurofilamenten in zenuwcellen en de nuclear lamins in de kern. Alle filamenten worden gevormd door de polymerisatie van hun overeenkomstige eiwit subunits. De meest diverse van deze filamenten zijn de keratines. Ze verspreiden zich door de cel van de ene kant van de cel naar de andere. Ze komen in vrijwel elk epitheel voor en zijn in elk epitheel weer anders. Ze zitten ook in haar, veren en klauwen. Ze komen samen op bepaalde punten op het plasmamembraan, waar ze in de naburige cellen weer verdergaan. Deze punten worden desmosomen genoemd.

Hun belang wordt duidelijk als we naar de zeldzame erfelijke ziekte epidermolysis bullosa simplex kijken, waarin mutaties in de keratine genen tot uiting komen in de formatie van keratine filamenten in de epidermis. Het gevolg hiervan is dat de huid zeer kwetsbaar is voor mechanisch letsel, en lichte druk al cellen doet scheuren, waarbij blaren op de huid ontstaan. Een belangrijk eiwit waar de intermediaire filamenten mee samenwerken, is plectine, wat de filamenten bindt aan de microtubuli, actine en desmosomen. Zonder plectine ontstaat een levensbedreigende ziekte waarbij onder andere epidermolysis, spierdystrofie en neurodegeneratie is te zien. In de kern vormen de filamenten de nucleaire lamina, die een hele andere vorm heeft dan die in een cel. Het zijn minder goed georganiseerde tetrameren, na celdeling vormt het netwerk zich weer helemaal opnieuw.

De afbraak en wederopbouw van de nucleaire lamina gebeurd door de fosforylering en defosforylering van de lamina door protein kinases. Wanneer de lamina gefosforyleerd zijn, is er een vormverandering die de binding verzwakt en uit elkaar doet vallen. Defosforylering aan het einde van de mitose zorgt dat de lamina zich weer vormen.

Wat is de rol van microtubules in eukaryote cellen?

Microtubules hebben een organiserende rol in eukaryote cellen. De microtubules vormen een soort netwerk in de cel, waarlangs vesikels en organellen zich bewegen. Op het moment van mitose gaan de microtubules uit elkaar en vormen dan een mitotische spoel, welke uiteindelijk zorgt voor het uit elkaar gaan van de chromosomen. Naast onstabiele structuren, kunnen microtubules ook stabiele structuren zoals ciliën vormen. De kern van de ciliën bevat dan een dikke bundel van microtubules.

Microtubules worden opgebouwd uit subunits van tubuline dimeren (een alfa en een bèta helix). De tubuline dimeren zitten aan elkaar met non-covalente verbindingen en vormen uiteindelijk een holle buis; de microtubules. De microtubules in hun geheel krijgen een polariteit door aan het ene uiteinde een negatieve alfa helix te hebben en aan het andere uiteinde een positieve bèta helix. De polariteit van de microtubules is heel belangrijk, omdat er anders nooit een richting zou kunnen worden gegeven aan het transport binnen de cel.

Microtubules worden gevormd vanuit een centraal punt in de cel; het centrosoom. Deze bevindt zich vaak vlak naast de celkern en is opgebouwd uit gamma tubulines. De alfa tubulines binden aan deze gamma kant, waardoor de positieve uiteinden van de microtubules de cel in gaan. De aanwezigheid van een centrosoom is belangrijk, omdat de vorming van een nieuwe microtubule anders vermoeilijkt wordt. Op het moment dat er een nieuwe microtubule is ontstaan, kan deze groeien door het toevoegen van nieuwe tubuline dimeren. Echter, uit het niets kunnen er aan de positieve kant ook weer dimeren afvallen, of kan de microtubule in zijn geheel verdwijnen. Dit wordt ook wel dynamische instabiliteit genoemd; veroorzaakt door hydrolyse van een GTP molecuul naar GDP dat gebonden is aan de microtubule. Wanneer het binden van nieuwe tubuline dimeren sneller gaat dan het hydrolyseren van GTP, blijft de microtubule groeien. De relatieve instabiliteit van de microtubules zorgt ervoor dat ze snel kunnen veranderen, wat noodzakelijk is voor de functie ervan.

Het uit elkaar vallen van een microtubule kan worden voorkomen door binding van het positieve eind aan een ander molecuul of een andere celstructuur. Binding hiervan zorgt dus voor een stabiele microtubule. Er bestaat medicatie welke invloed heeft op polymerisatie en depolymerisatie van tubuline. Middelen die binden aan dan wel microtubules, dan wel tubuline, zorgen voor een stop van de celdeling. De mitotische spoel is afhankelijk van de opbouw en afbraak van microtubules en wanneer dit dus niet plaats kan vinden zal er geen celdeling plaatsvinden. Deze medicatie is dus nuttig in het geval van kankercellen, omdat cellen die halverwege de celdeling stagneren uiteindelijk dood gaan.

De instabiliteit is cruciaal voor de werking van de microtubuli: dit wordt aan de hand van het middel colcichine goed duidelijk. Colcichine bindt aan de vrije tubuline, waardoor deze geen polymeren meer kunnen vormen. Dit heeft als gevolg dat bij mitose de chromosomen niet meer verdeeld kunnen worden. Hierdoor wordt zichtbaar dat de mitotic spindle wordt gevormd door een continue toevoeging van tubuline, als dit niet plaats kan vinden vervalt de spindle volledig. Taxol heeft het tegenovergestelde effect: het zorgt dat microtubuli kunnen vormen, maar niet uiteen kunnen vallen en ook dit resulteert dat cellen blijven steken in mitose. Doordat de mitose niet doorgevoerd kan worden, sterft de cel. Hierdoor zijn deze antimitotische middelen goed tegen kanker. Vanuit het centrosoom worden constant microtubuli gemaakt en weer afgebroken. Het is echter ook nodig microtubuli stabiel te houden, om hun transportfuncties te vervullen. Dit gebeurt wanneer het uiteinde van de microtubuli met iets anders, bijvoorbeeld het plasmamembraan, verbonden is.

Cellen zijn in staat om de dynamic instability van hun microtubuli voor sommige doeleinden te veranderen. Wanneer cellen in mitose gaan, worden microtubuli dynamischer en switchen vaker tussen groeien en krimpen dan cytoplamatsche microtubuli normaal gesproken doen. Wanneer een cel gedifferentieerd is, verkrijgen de microtubuli meer stabiliteit doordat krimpen onderdrukt wordt door eiwitten die binden aan de uiteinden.

De meeste dierlijke cellen zijn gedifferentieerd en polarized, wat zeggen wil dat één kant van de cel structureel of functioneel anders is dan de andere kant. Zenuwcellen zijn hier een goed voorbeeld van. Microtubuli passen zich hieraan aan door zich in één richting te binden, waarlangs moleculen zich kunnen bewegen.

Moleculen bewegen langs deze microtubuli met een snelheid van bijvoorbeeld 10cm per dag: ze doen er dan alsnog meer dan een week over om bij de axon terminal van een zenuwcel te komen, maar als het door diffusie zou zijn, zou dit jaren in beslag kunnen nemen. Microtubuli werken samen met eiwitten die ze verbinden met andere delen van het cytoskelet, of ze aan het plasmamembraan binden. Ook zorgen motor proteins, dat membraan gebonden organellen zich langs microtubuli kunnen bewegen. Ze leveren energie hiervoor via ATP moleculen.

De motorproteins binden zich aan een microtubulus via een ATP head en een tail waar zich cargo aan kan binden, zoals vesikels of organellen. Deze motor proteins hebben een bepaalde richting: de kinesins bewegen zich in de plus kan van de microtubuli en de dyneinen richting de min kant van de microtubuli.

Microtubuli spelen ook een belangrijke rol bij de positionering en de handhaving van deze plek bij organellen. Het ER zit bijvoorbeeld aan de buitenrand en het Golgi systeem aan de binnenkant van de cel. Wanneer een cel wordt blootgesteld aan de drug colcichine (waarbij de microtubuli krimpen), bijvoorbeeld, zal het ER langzaam naar het midden van de cel teruggaan en het Golgi systeem zal uiteen vallen in vesikels. Door de microtubuli zitten de organellen op de plek waar ze het best functioneren. Ze komen daar via receptoren die aan motor proteins binden, voor het ER de kinesins en voor het Golgi systeem de dyneins.

De cilia die al eerder genoemd zijn, zijn een soort haren van de cellen, omsloten door plasmamembraan, die vloeistoffen die over de cel komen een beweging geven. In het ademhalingsstelsel zitten deze cilia er om slijm naar boven te krijgen, om zo uitgehoest te worden. Ze bestaan uit meerdere stabiele microtubuli, die uit een basal body groeien. Het basal body is de organisatiecentrum voor de cilia. Flagella zijn staarten van cellen die een propellor-achtige beweging maken en zo de cel voortbewegen. Ze lijken veel op de cilia, maar ze zijn vaak langer. Sperma cellen bevatten een flagellum, die regelmatig beweegt en zo een golfslag creëert die het de cel mogelijk maakt door een vloeistof te bewegen. De microtubuli in cilia verschillen iets in die van het cytoplasma. Ze bestaan uit 9 microtubuli in een rondje, met in het midden nog 2 microtubuli. Deze 11 bindingen zijn sterk met elkaar verbonden door eiwitten. Het belangrijkste eiwit, wat voor de beweging en de buiging zorgt, is het motor protein ciliary dinein. Dit lijkt op cytoplasmatisch dyneine, alleen zit het met het head vast aan de microtubuli en met de staart aan een microtubuli ernaast. Zo zorgt een beweging richting een kant voor een buiging van de microtubuli.

Wat zijn actine filamenten?

Actine filamenten komen voor in alle eukaryoten en zijn belangrijk voor de bewegingen van een cel. Actine filamenten zijn over het algemeen onstabiel, maar door interactie met andere eiwitten kan het een stabiel geheel vormen (zoals bij de motoreenheid in spieren). Actine filamenten gaan een interactie aan met een grote hoeveelheid actine bindingseiwitten, dit voor het uitoefenen van verschillende celfuncties.

Een actine filament is opgebouwd uit een gedraaide keten van actine moleculen, welke – net als microtubules – een polariteit hebben. De filamenten komen in grote getale voor in een cel en vaak in groepen, waardoor er een soort netwerk van actine filamenten wordt gevormd. De filamenten kunnen groeien door toevoeging van een actine molecuul aan het einde, met name aan de positieve kant van het molecuul. Actine monomeren hebben een gebonden APT molecuul, wat gehydrolyseerd wordt na binding aan het filament. Net als bij microtubules maakt dit het filament zwakker en valt het makkelijker uit elkaar. De functie van de actine filamenten kan worden aangetoond door het toevoegen van bepaalde toxines, welke of de polarisatie of de depolarisatie tegengaan. Na het toevoegen van de toxines stoppen de celbewegingen meteen.

Thymosine en profiline binden aan actine monomeren in het cytosol, welke ervoor zorgen dat een monomeer niet kan binden aan een filament. Op deze manier houden deze proteïnes de actine monomeren als “reserve” voor het moment waarop ze echt nodig zijn. Er zijn veel verschillende actine-bindende filamenten, de meesten binden aan actine filamenten en niet aan de monomeren. De proteïnes kunnen ook binden met motorproteïnes, waardoor er een contractiele bundel wordt gevormd (spiercellen).

Actine filamenten bestaan, net als microtubuli, uit stabiele en onstabiele filamenten. Zonder actine zou een cel niet kunnen delen, niet kunnen bewegen en een spiercel zou niet kunnen samentrekken. Actine kan bijvoorbeeld stevige constructies geven aan de microvilii, de borstelzone van het verteringsstelsel. Actine kan een cel doen samentrekken als een soort spier en ze kunnen tijdelijke structuren vormen die de cel laten kruipen. Ook vormen ze de contractile ring bij celdeling, die de 2 cellen uiteindelijk van elkaar scheidt.

Actine filamenten komen nauwelijks geïsoleerd voor in een cel: ze gaan samen om zo sterkere filamenten te vormen. Actine maakt gebruik van ATP in plaats van GTP in microtubuli. Verder werkt het wel hetzelfde. ATP hydrolyseert tot ADP na binding aan het molecuul en vermindert door zwakkere binding de stabiliteit van het filament, waardoor het snel kan krimpen. Net zoals bij microtubuli is het belangrijk dat actine snel op kan bouwen en weer af kan breken. Ook deze binding kan door stoffen worden voorkomen, bijvoorbeeld door een gif wat door een schimmel gemaakt wordt, cytochalasine, wat de polymerisatie van actine voorkomt. Andere stoffen zorgen ervoor dat er geen depolymerisatie kan plaatsvinden, zoals de jasplakinolides, en zorgen al bij een kleine concentratie dat er geen beweging meer te zien is in cellen.

Er zijn veel eiwitten die de eigenschappen van actine beïnvloeden, zoals thymosine en profiline, die aan actine monomeren binden, om te voorkomen dat ze polymeren gaan vormen en houden zo een reserve voorraad actine achter. Actin-bundling proteins binden aan actine filamenten om ze tot parallelle bundels te houden in microvilli.

Actine komt voornamelijk voor in een laag net onder het plasmamembraan; de cel cortex. Hier vormt het samen met bindingseiwitten een netwerk, wat de oppervlakte van de cel ondersteunt en mechanische sterkte geeft. Het herschikken van de actine filamenten in de cortex is de basis voor de vorm en de bewegingen van een cel. De meeste cellen bewegen zich voort door het kruipen over oppervlaktes, veroorzaakt door veranderingen in veel verschillende moleculen. Echter, er zijn drie processen welke essentieel lijken te zijn voor het voortbewegen van de cel:

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.

2. Dit uitsteeksel bindt aan het oppervlak, waarover de cel zich gaat bewegen.

3. De rest van de cel wordt voortgetrokken door de punten waarop de cel vastzit aan het oppervlak.

De eerste stap, het vooruitduwen van het celoppervlak, wordt gereguleerd door actine polymerisatie. Hier worden lamellipodia uitgescheiden, een compact netwerk van actine filamenten, zo gelegen dat de plus kant richting het plasmamembraan wijst. Veel cellen scheiden ook filopodia uit, zowel in de leading edge als op andere plaatsen in de cel, ook met hun plus kant naar buiten georiënteerd. Deze bestaan uit een bundel van 10-20 actine filamenten. Het zenuwuiteinde van een axon bevat langere filopodia. Het zijn exploratieve, bewegende structuren die heel snel gesynthetiseerd en weer afgebroken worden, die bij het plasmamembraan liggen en dit vooruit duwen, zonder het stuk te trekken. De formatie en groei van actine filamenten aan de leading edge van een cel wordt ondersteund door verscheidene actine bindende eiwitten, die helpen om actine polymeren een het plasmamembraan te binden. Eén categorie van eiwitten, de actin-related proteins ARP’s, zorgen voor de vorming van vertakte actine filamenten. Deze eiwitten vormen een complex dat aan bestaande actine filamenten bindt, waar ze de groei van een nieuw filament regelen, wat in een hoek ten opzichte van het bestaande filament groeit. Dit web groeit aan de voorkant, maar krimpt aan de achterkant en duwt zo de cel vooruit.

Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasmamembraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

Alle actine bindende motor proteins horen tot de myosine familie. Ze binden en hydrolyseren ATP, wat voor de bewegingsenergie van actine filamenten van de min naar de plus kant zorgt. Er zijn verschillende types van myosine in de cel, waarvan myosin-I en myosin-II het meeste voorkomen. Myosin-I wordt in elk celtype gevonden, en is makkelijker in zijn structuur en functie.

Myosin-I moleculen hebben een hoofd en een staart. Het hoofd bindt aan actine filamenten en heeft ATP hydrolyse bewegingsactiviteit die hem in staat stelt langs het filament te bewegen door te binden, los te laten en weer opnieuw te binden. De staart van myosin-I verschilt van type tot type en het bepaalt welke celcomponenten mee worden getrokken met de motor. De staart bindt bijvoorbeeld aan een bepaald membraan omsloten vesikel en trekt het door de cel langs actine sporen, of het bindt het plasmamembraan en beweegt het naar de actine filamenten toe, en duwt zo het membraan in een andere vorm.

We hebben nu verschillende functies van actine besproken. Deze verschillende functies kunnen door extracellulaire reacties tot stand worden gebracht. Voor het actine cytoskelet worden zulke structuur veranderingen getriggerd door de activatie van een verscheidenheid aan receptor eiwitten, gelegen in het plasmamembraan. Al deze signalen convergeren in de cel tot een groep van zeer op elkaar lijkende GTP-bindende eiwitten, die de Rho protein family wordt genoemd.

De eiwitten van dit type gedragen zich als moleculaire processen door een cyclus van actief, GTP-gebonden staat en een inactieve, GDP-gebonden staat. In het geval van het cytoskelet zorgt de activatie van verschillende leden van de Rho familie voor de organisatie van actine filamenten op verschillende manieren. Bijvoorbeeld: de activatie van het GTP gebonden eiwit Cdc42 triggert actine polymerisatie en bundeling om filopodia te vormen, terwijl de activatie van Rac GTP-gebonden eiwitten de formatie van sheetlike lamellipodia stimuleert. Deze complexe structurele veranderingen vinden plaats omdat elk van deze moleculaire switches samenwerken met verscheidene doeleiwitten, zoals de kinase eiwitten en de bindingseiwitten die de actine organisatie en hun bewegingen controleren. Activatie van Cdc42 bijvoorbeeld regelt de actine binding aan het ARP complex. Rac heeft deze functie ook, maar promoot ook de hydrolyse aan de plus kanten van de actine filamenten. Dit zorgt ervoor dat er meerdere mogelijkheden zijn om actine aan het plasmamembraan te binden, wat de vorming van grote lammellipodia stimuleert.

Ondanks dat myosine een centrale rol speelt in de cel, wordt dit molecuul aangestuurd door extracellulaire signalen. Dit zorgt ervoor dat de cel dus verandert, in reactie op de omgeving. Intracellulaire veranderingen wordt getriggerd door receptor eiwitten, welke leiden tot een configuratie van een groep GTP bindende eiwitten: Rho proteïne familie. Elk eiwit uit deze familie heeft weer een ander effect op actine in de cel. Het Rho netwerk verwerkt alle signalen zowel van buiten als van binnen de cel en produceert daarna signalen die ervoor zorgen dat de vorm van het actine skelet verandert.

Wat zijn kernbegrippen omtrent het cytoskelet?

• Het cytoplasma van een eukaryote cel wordt ondersteunt door een cytoskelet, bestaande uit; intermediaire filamenten, actine filamenten en microtubules.

• Intermediaire filamenten zijn stabiel en zorgen voor mechanische sterkte. Sommigen bevinden zich in de kern, anderen door het plasma heen.

• Microtubules zijn holle buizen en opgebouwd uit tubulines. Ze hebben een polariteit, het positieve uiteinde groeit het snelst.

• Microtubules groeien uit vanaf het centrosoom, waar ze vastzitten met hun negatieve uiteinde.

• Microtubules zijn dynamisch; ze worden steeds opgebouwd en weer afgebroken. Dit wordt veroorzaakt door hydrolyse van GTP.

• Microtubules kunnen worden gestabiliseerd door binding van een microtubule-bindend-eiwit.

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

• Actine filamenten zijn opgebouwd uit actine monomeren en komen voornamelijk voor in netwerken.

• Het opbouwen en afbreken van actine filamenten wordt gereguleerd door de hydrolyse van ATP.

• De vorm van de actine netwerken wordt bepaald door actine-bindende-eiwitten, welke zorgen voor de polymerisatie en depolymerisatie.

• Een netwerk van actine filamenten onder het plasmamembraan vormt de cel cortex en is verantwoordelijk voor de vorm en de bewegingen van de cel.

• Myosine moleculen zijn motor proteïnes welke ATP hydrolyse gebruiken voor de energie om langs actine moleculen te bewegen.

Extracellulaire matrix

Celbiologie: Wat zijn celgemeenschappen (weefsels, stamcellen, kanker)? - Chapter 20

Inleiding

Kankercellen prolifereren, infiltreren en metastaseren. Kanker ontstaat wanneer de basale regels van celdeling worden geschonden. Om orde te handhaven binnen lichaamsweefsels moeten cellen zich aan bepaalde gedragsregels houden. Dat wil zeggen dat ze moeten delen wanneer nieuwe cellen van dat betreffende type nodig zijn, en afzien van delen wanneer geen nieuwe cellen nodig zijn; ze moeten lang genoeg leven om hun taken binnen het weefsel te vervullen, en ze moeten sterven wanneer dat nodig is; ze moeten hun gespecialiseerde karakter behouden, en op de juiste plek hun taken uitvoeren; ze moeten niet afdwalen naar andere weefsels en daar gaan delen.

Celgemeenschappen

Cellen zijn de bouwstenen van organismen. De meeste cellen werken goed samen en vormen weefsels. Weefsel bestaat uit cellen en een extracellulaire matrix rondom de cellen die stevigheid biedt. Extra cellulaire matrix bestaat uit vezels en grondsubstantie. Een voorbeeld zijn de celwanden bij planten. Cellen zijn verbonden met cell junctions.

De meercellige organisatie van dieren en planten is onafhankelijk geëvolueerd en de bouw van hun weefsels is op verschillende principes gebaseerd. De belangrijkste functie van epitheel is het bedekken van de externe oppervlakte van het lichaam en inwendige holten. Daarnaast beschermt het epitheel het lichaam tegen binnendringende micro-organismen en uitdroging. Ook vindt er in het epitheel transport plaats van moleculen, voedingsstoffen en afvalstoffen.

Je kunt epitheel op basis van verschillende eigenschappen indelen:

• Op het aantal lagen:

  • Eenlagig epitheel (simple epithelium)

  • Meerlagig epitheel (stratified epithelium)

  • Pseudomeerlagig epitheel

• Op de vorm:

  • Kubisch epitheel (vierkant, cuboidal)

  • Cilindrisch epitheel (langgerekt, columnar)

  • Plaveiselepitheel (plat, squamous)

Een epitheellaag is gepolariseerd en heeft twee vlakken:

• Het apicale oppervlak: deze is blootgesteld aan de lucht of een waterige vloeistof.

• Het basale oppervlak: deze rust op een ander weefsel waaraan het is bevestigd.

Om het basale oppervlakte te ondersteunen ligt hieronder een dunne en harde structuur, de basale lamina, bestaande uit type IV collageen en diverse andere macromoleculen, waaronder een eiwit genaamd laminine. Laminine zorgt voor de ‘plakfunctie’ van de intergrines. De apicale en basale kant van het epitheel zijn chemisch verschillend, waardoor het interne milieu gepolariseerd is.

Verschillende types van cel-cel verbindingen worden gevonden in epitheel:

• Tight junctions hebben een afsluitende functie en voorkomen lekkage tussen cellen. Ze worden gevormd uit claudine- en occludine-eiwitten. Ook spelen ze een belangrijke rol bij het handhaven van de polariteit.

• Adherens junctions maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. Een cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een cel bindt aan een identiek cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een buurcel. Cadherine zit intercellulair verbonden aan actinefilamenten.

• Desmosomen maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. De cadherine wordt intercellulair verbonden aan een cytoplasmatische schijf met daaraan verbonden keratinefilamenten.

• Gap junctions vormen kanalen die passage van kleine moleculen en ionen mogelijk maakt tussen de cellen. Op deze manier kunnen cellen communiceren. De permeabiliteit van de gap junctions kan worden beïnvloed door extracellulaire signalen.

• Hemidesmosomen verbinden de epitheelcellen met het extracellulaire matrix eiwit laminine in de basale lamina.

Veel van de gedifferentieerde cellen die voortdurend moeten worden vervangen zijn zelf niet in staat om te delen. Rode bloedcellen, epidermale cellen, de absorptie- en slijmbekercellen van de darmwand zijn van dit type, ook wel aangeduid als terminaal gedifferentieerde cellen.

Vervanging voor terminaal gedifferentieerde cellen wordt gegenereerd uit een voorraad van prolifererende cellen, die meestal afkomstig zijn van stamcellen. De stamcellen en prolifererende cellen worden vastgehouden in de overeenkomstige weefsels samen met de gedifferentieerde cellen. Wanneer een stamcel deelt kan de dochtercel een stamcel of een terminaal gedifferentieerde cel worden. De delende stamcellen van het epitheel liggen in de onderliggende crypten. De migratie van gemaakte epitheelcellen duurt 3 tot 6 dagen en verplaatst van een crypt richting de top van de villus.

Embryonale stamcellen kan je onbeperkt in kweek zetten en ze kunnen blijven differentiëren tot elk celtype in het lichaam. Er is echter een groot probleem bij het gebruik van embryonale stamcellen voor weefselherstel. Indien de getransplanteerde cellen genetisch verschillen ten opzichte van de cellen van de patiënt, worden zij afgekeurd en vernietigd door het immuunsysteem.

Genetische mutatie

Een genetische mutatie die een cel de mogelijkheid geeft om te overleven en te delen wanneer het niet zou mogen, kan catastrofale gevolgen hebben voor het organisme. Dit gebeurt bij kanker.

Kankercellen worden gekenmerkt door twee erfelijke eigenschappen:

• Ze prolifereren, ongeacht de behoeften/kenmerken van hun weefsel van origine.

• Ze infiltreren en koloniseren andere weefsels.

Cellen die enkel de eerste van deze twee eigenschappen hebben, gaan overmatig prolifereren maar blijven geclusterd op hun plek van origine waar ze een massa of tumor vormen. Men spreekt dan van een benigne tumor. Een chirurgische ingreep kan een dergelijke tumor meestal volledig verwijderen.

Een tumor wordt als maligne aangeduid wanneer het de mogelijkheid heeft om andere weefsels binnen te dringen. In dit geval is er ook echt sprake van kanker. Maligne cellen kunnen de primaire tumor verlaten, in de bloed- en/of lymfecirculatie terechtkomen, en distaal secundaire tumoren (metastasen) vormen.

Epidemiologische gegevens & risicofactoren identificeren

Voorkomen is altijd beter dan genezen, maar bij kanker is dit erg lastig. Omgevingsfactoren spelen een belangrijke rol in het ontstaan van kanker. Veelvoorkomende maligniteiten wisselen van land tot land, en studies binnen migrantengroepen tonen aan dat het risico op kanker bepaald wordt door de plek waar men woont, en niet het land van herkomst.

Welke omgevingsfactoren belangrijk zijn voor het risico op kanker, is vaak lastig te bepalen. In sommige gevallen, echter, is het gelukt om specifieke factoren te identificeren.

Een voorbeeld is de rol van het humaan papillomavirus (HPV), dat seksueel overdraagbaar is, op het ontstaan van baarmoederhalskanker (cervixcarcinoom). Uit epidemiologische gegevens bleek dat cervixcarcinomen veel vaker voorkwamen bij getrouwde vrouwen, waardoor de rol van een seksueel overdraagbare aandoening aanneembaar werd. HPV kan ongecontroleerde proliferatie van de epitheelcellen van de baarmoederhals veroorzaken. Dit wetende, kon men kanker proberen te voorkomen door de infectie te voorkomen. Het is inmiddels gelukt om een vaccin tegen HPV-infectie te ontwikkelen. Dit vaccin biedt bescherming wanneer meisjes gevaccineerd worden als ze jong en nog niet seksueel actief zijn.

De meeste vormen van kanker worden niet door virussen veroorzaakt. Epidemiologisch onderzoek heeft andere risicofactoren kunnen identificeren. Obesitas is een belangrijke risicofactor. Maar de belangrijkste risicofactor voor kanker is roken. De meeste gevallen van longkanker worden door roken veroorzaakt, en roken verhoogt ook de incidentie van vele andere soorten kankers, zoals blaaskanker. Door te stoppen met roken, zouden 30% van de dood als gevolg van kanker, voorkomen kunnen worden. Toch is het zo dat niet alle kankers voorkomen kunnen worden met behulp van leefstijl interventie.

Kanker ontstaat door een accumulatie van mutaties

Kanker is anders dan meeste genetische aandoeningen omdat het veroorzaakt wordt door mutaties in de somatische cellen (in tegenstelling tot de kiemcellen). De meeste kankerverwekkende factoren zijn mutagenen: zij veroorzaken veranderingen in het DNA. Echter, zelfs in een mutageenvrije omgeving zullen DNA-mutaties optreden. Dit komt door de beperkte nauwkeurigheid van de DNA replicatie- en herstelmechanismen. Gemiddeld treedt er één fout op voor elk 10⁹/10¹⁰ gekopieerde nucleotide. Kanker is daarom een ouderdomsziekte, aangezien het heel lang duurt voordat genoeg mutaties geaccumuleerd zijn binnen een cellijn om kanker te veroorzaken.

Naast het feit dat kankercellen veel DNA-mutaties bevatten, is het genetisch materiaal vaak ook instabiel. Dat wil zeggen dat het karyotype vaak abnormale chromosomen laat zien, waarin veel translocaties hebben plaatsgevonden. Dit kan komen door mutaties in de reparatiemechanismen en mutaties in de controlepunt mechanismen.

Mutaties geven kankercellen een voordeel

Mutaties die tot kanker leiden, geven de getroffen cel een voordeel boven de naastgelegen cellen. Door natuurlijke selectie, zullen cellen die sneller prolifereren en beter overleven, de overhand nemen. Wanneer een cel met een mutatie de mogelijkheid krijgt om te overleven en te prolifereren, zullen dochtercellen met dezelfde mutatie en overlevingsvoordeel ontstaan. Een tweede mutatie in deze cellijn kan dan extra overlevingsvoordeel opleveren. Wanneer een derde mutatie invasieve karakteristieken verleent aan de betreffende cellijn, zijn alle factoren bijeen om kanker te veroorzaken.

Kankercellen hebben een aantal gedragskenmerken:

• Ze zijn minder afhankelijk van extracellulaire factoren om te delen, groeien en overleven. Dit wordt veroorzaakt door mutaties in de signaling pathways waarmee cellen op externe invloeden reageren. Een mutatie in het RAS gen kan proliferatie triggeren zonder dat de nodige extracellulaire signalen aanwezig zijn.

• Ze ondergaan minder snel apoptose. Dit wordt vaak veroorzaakt door mutaties in het intracellulaire death program dat apoptose kan triggeren. Ongeveer 50% van alle kankersoorten bevat mutaties in het p53 gen. Het p53 eiwit is onderdeel van een check-point mechanisme waarbij cellen die een mutatie bevatten, niet verder kunnen gaan met delen of apoptose ondergaan. Cellen met instabiele chromosomen zullen normaal gesproken apoptose ondergaan. Wanneer deze cellen een defect p53 gen hebben, worden ze niet geremd en gaan ze door met prolifereren, en zullen er sterk abnormale dochtercellen ontstaan.

• Ze zijn onsterflijk. Normale cellen kunnen maar een beperkt aantal keren delen, omdat bij elke celdeling de telomeren iets korter worden, en deze uiteindelijk te kort zijn om verdere celdeling te ondergaan. Kankercellen hebben een enzym (telomerase) dat het verkorten van de telomeren voorkomt.

• Ze zijn genetisch instabiel, met een verhoogd mutatie tempo.

• Ze zijn invasief, meestal vanwege het ontbreken van specifieke celadhesie moleculen (zoals cadherinen) waarmee cellen normaal gesproken op hun plek worden gehouden.

• Ze kunnen in andere weefsels overleven en prolifereren (metastaseren). Normale cellen kunnen niet buiten hun eigen weefsel overleven.

Verschillende genen zijn belangrijk bij kanker

Proto-oncogen: een mutatie in slechts een van de twee kopieën van het gen is voldoende om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft dan een dominant karakter. Het corresponderende gemuteerde gen wordt oncogen genoemd. Tumor-suppressor gen: beide kopieën van het gen moeten gemuteerd zijn om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft een recessief karakter, de functie van het gen moet volledig verloren gaan om gevolgen te hebben. Heterozygoten voor TSGgenen zijn slechts één mutatie verwijderd van kanker, en dit treedt daardoor sneller en vaker op.

Colorectale kanker

De meeste gevallen van darmkanker ontstaan bij oudere mensen. Hiervoor kan geen specifieke hereditaire afwijking worden gevonden. In sommige gevallen kan een hereditaire oorzaak echter wel worden gevonden. Patiënten met deze afwijking ontwikkelen op jonge leeftijd honderden of zelfs duizenden poliepen in de dikke darm (colon en rectum). Deze poliepen kunnen op latere leeftijd maligne worden. De poliepen worden veroorzaakt door een mutatie in het APC (Adenomatous Polyposis Coli) gen. Patiënten met de hereditaire vorm van coloncarcinoom hebben één normale en één gemuteerde kopie van het APC gen geërfd. De inactivatie van de normale kopie veroorzaakt op latere leeftijd kanker. Het APC gen is dus een tumor-suppressor gen. Het codeert voor een eiwit dat de Wnt signalling pathway inhibeert en celproliferatie in de crypten van het darmslijmvlies remt.

APC faciliteert de afbraak van beta-catenine en voorkomt dat TCF (transcriptie regulator) geactiveerd wordt in afwezigheid van Wnt. Wanneer APC inactief is wordt beta-catenine niet afgebroken en bindt het aan het TCF-complex, waardoor de Wnt pathway hyperactief wordt. Epitheliale cellen in de darmcrypten gaan hierdoor excessief prolifereren, met poliepvorming als gevolg. Binnen de poliepen kunnen additionele mutaties kanker veroorzaken.

Begrip van celbiologie is vereist om nieuwe behandelingen te ontwikkelen

Tegen de tijd dat een kankergezwel ontdekt wordt bestaat het uit miljoenen cellen en vaak is het ook al gemetastaseerd. Als het gezwel nog niet ver verspreid is kan het chirurgisch makkelijk worden verwijderd. Ook is het mogelijk cellen zo te beschadigen dat het DNA van kankercellen niet hersteld wordt maar dat van gezonde cellen wel. Sommige vormen van mamma- en ovariumcarcinoom hebben een hereditaire oorzaak. De inactivatie van de BRCA1 en BRCA2 genen, die een rol spelen in het herstel van dubbelstrengsbreuken in het DNA, veroorzaakt genetische instabiliteit. Kankercellen kunnen deze instabiliteit omzeilen door alternatieve herstelmechanismen te gebruiken, waardoor ze alsnog kunnen prolifereren. Een geneesmiddel dat die alternatieve mechanismen inhibeert, zou uitkomst kunnen bieden. Door de toegenomen instabiliteit (chromosoom breuken) zouden de kankercellen sterven op het moment dat ze gaan delen. Andere strategieën zijn het beperken van de groei van bloedvaten bij tumoren, het immuunsysteem laten reageren op de tumorcellen en de genproducten van specifieke oncogenen blokkeren.